数据结构 -- 位域

Posted 2023-04-19

参考技术A

一个字节有8位，在存储时有些数据并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。例如开关只有通电和断电两种状态，用 0 和 1 表示足以，也就是用一个二进位。基于这种考虑， C 语言提供了『 位域 』这个数据结构。

在结构体定义时，我们可以指定某个成员变量所占用的二进制位数（Bit），这就是位域。来看下面的例子：

当限制了成员的位数时，如果给成员赋值超过其位数，则会导致数据溢出。来看下面的例子：

上面定义了结构体变量a，包含一个非位域成员m，以及两个位域成员n、ch。分别进行两次赋值并输出，输出结果如下所示：

第一次赋值的输出结果分析：

第二次赋值的输出结果分析：

位域的储存规则如下：

位域实质上是含有位域成员的结构体，所以除了遵循这个储存规则外，还需要遵循结构体分内存对齐规则，接下来通过如下示例来分析位域的存储逻辑。

示例1：

输出结果分析：

因此，bs总共需要22位内存，即3字节，而根据结构体对齐规则，bs的内存必须为其最大成员类型长度（int）的整数倍，所以最终输出为4字节。

示例2：

输出结果分析：

因此，bs总共需要86位的内存空间，即11字节，而根据结构体对齐规则，bs的内存必须为其最大成员类型长度（int）的整数倍，所以最终输出为12字节。

示例3：

输出结果分析：

因此，bs需要152位的内存，即19字节，经由结构体内存对齐，需要是4字节的倍数，所以最终输出为20字节。

1. 数据结构 -- 结构体Struct
2. 数据结构 -- 共用体Union

C位域操作

位域的概念

1个字节包含8位，有些变量保存的数据不需要占用这么长的空间（比如bool类型，只有两个状态true和false, 1位就可以搞定，剩下的7位就浪费了），这就催生了“位域”结构，位域将1个字节划分成不同的区域，每个区域都有个位域名，程序员可以代码通过位域名访问其中的数据。

位域的声明

类型 位域名:位域长度;

位域结构体，我理解是一种特殊的结构体，其成员变量都是位域，声明如下

struct 位域结构名 

　　类型说明符 位域名:位域长度;
　　...
　　类型说明符 位域名:位域长度;
;

基本原则

现有一个简单的结构体

typedef struct Test1

    char a:1;
    int b:2;
test1;

1. 位域变量的长度不能大于其类型的长度(sizeof(类型) * 8)

变量char has_assoc的类型位char 1字节 8位，小于定义的10，所以编译器警告

2.  不能用于位域字段的操作：取地址操作符&，取偏移量操作

位域是若干位空间，是没有地址的

3. 位域可以是无名位域，无名位域只能用作填充或调整位置，不能使用。

typedef struct Test1

    char a:1;
    int b:2;
    int :1;
test1;

4. 位域字段不能声明为类的静态成员

5. 位域结构体的大小必须是其最长基本类型大小的整数倍(sizeof(类型) * 8)

6.如果一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如： 

struct bs     
     
    unsigned a:4     
    unsigned :0 /*空域*/     
    unsigned b:4 /*从下一单元开始存放*/     
    unsigned c:4     

这个位域定义中，a占第一字节的4位，后4位填0表示不使用，b从第二字节开始，占用4位，c占用4位。

7.不够一个类型的size时，将按其中最大的那个类型对齐。

struct foo4 
    char    a : 2;
    char    b : 3;
    int c : 1;
;

foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte)，但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？我们 打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为8，也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。

8.如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

typedef struct Test1

    char a:1;
    int b:2;
test1;
//运行结果:4
typedef struct Test1

    char a:1;
    int b:2;
    long c;
test1;
//运行结果：16

总结：

1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止

2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，GCC采取压缩方式；

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。