内存是以字节为单位进行编址的,编程语言的基本类型中,最小类型的长度一般也就是1个字节。然而,在解决某些问题时,必须要有二进制层面的表达手段(如CAN数据的解析等),又或者某些情形下根本用不着1个字节,作为强大到令人窒息的C/C++,难道没有解决方法?其提供的完美解决方法就是位域(位段)结构,本文将从定义、说明、内存布局和使用这四个方面对它进行详细的介绍。
1. 位域定义
首先,让我们看一下位域的定义。从定义中可以看出位域本质上其实就是结构体,只不过其成员都是按照特定长度的二进制位进行分配而已。
struct 位域结构体名 { 位域列表; }; 其中,位域列表为: 类型说明符 位域名: 长度; 组成
例如:
struct BitField { unsigned char a : 2; // 第一个位域,2位 unsigned char b : 4; // 第二个,4位 unsigned char c : 2; // 第三个,2位 };
2. 位域说明
其次,我们来看一下位域的一些说明:
1. 位域可以没有名字的,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的
struct BitFiled_1
{
unsigned a : 4;
unsigned : 0; // 无名位域, 无法使用
unsigned b : 4;
unsigned c : 4;
};
2. 宽度为 0 的一个未命名位域强制下一位域对齐到其下一type位域的边界
struct BitFiled_1
{
unsigned a : 4; // 第一个unsigned int,占4Byte
unsigned : 0; // 未命名位域
unsigned b : 4; // 从第二个unsigned int的4Byte开始存放,占4位
unsigned c : 4; // 还是第二个unsigned int中的4位
// 该位域结构总共 8 Byte
};
3. 位域的长度不能大于其类型说明符中指定类型的固有长度,比如说int类型的位域长度不能超过32(bit),char的位域长度不能超过8(bit)
struct BitField_2
{
int a : 33; // 编译错误,C2034,BitField_2::a位域类型的位数太小, >32
char b : 10; // 编译错误,C2034,BitField_2::b位域类型的位数太小, >8
};
3. 位域内存布局
位域有一个非常重要的用途就是压缩存储,即:能够用1个比特解决的问题,绝不用2个比特。因此,我们非常有必要研究一下其内存布局,这样才能对其压缩存储特性有深入的了解。
1. 整个位域结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍,这一点与常规结构体类型是一致的,从这里也可看出,位域本质上就是结构体;
2. 如果相邻位域字段的类型相同,且其声明的位宽长度之和小于类型的大小(sizeof获取的大小),则后面的位域字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
// 假如 BitField_3::a = 0x11,(0001 0001 B); BitField_3::b = 0x2,(10 B);
// BitField_3::c = 0x35,(11 0101 B), 则有:
// 第一个4字节为:0001 0001 0000 0010 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节为:0011 0101 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
struct BitField_3
{
int a: 8; // 第一个4Byte中的开始8bit
int b: 2; // 由于相邻两个位域的类型相同,总大小10 < 32(int类型大小)
// 所以这里存储是挨着第一个4Byte,紧接着的2bit
char c: 6; // 由于相邻的两个位域类型不同
// 所以这里是第二个4Byte
// 总共8Byte
};
3. 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,则后面的位域字段将从新的存储单元开始,其起始偏移量为类型大小的整数倍;
// 假如 BitField_4::a = 0x1,(0001 B); BitField_4::b = 0x08676665
// 则有:第一个4字节:0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节:0x65 66 67 08(小端模式,高高低低,高字节存放在高地址)
struct BitField_4
{
int a: 4; // 第一个4字节
int b: 29; // 虽然相邻位域类型相同
// 但是,4 + 29 > 32
// 因此b位域从第二个4字节开始存储
// 总共8字节
};
4. 如果相邻位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC采取不压缩方式
// 假如 BitField_5::a = 0x4, (0100 B); BitField_5::b = 0x5, (0101 B), 则有:
// 第一个4字节:0000 0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节:0000 0101 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
struct BitField_5
{
int a : 4; // 占据int的4字节中的4个bit
char b : 4; // 相邻字段类型不同,就算类型是char,也另起一个4字节
// 总共8Byte,可见不但没有压缩,还浪费空间
};
5. 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
// 假如 BitField_6::a = 0x4,(0100 B); BitField_6::b = 0x65, (0110 0101 B)
// BitField_6::c = 0x3,(0011 B), 则有:
// 第一个字节: 0000 0100 (B)
// 第二个字节: 0110 0101 (B)
// 第三个字节: 0000 0011 (B)
struct BitField_6
{
char a: 4; // 第1个字节
char b; // 第2个字节,非位域
char c: 4; // 第3个字节
};
注意:如果不是位域字段之间穿插着非位域字段,如下面这种情况,是进行压缩的:
// 以下为两个字节,可见进行了压缩存储
// 如果把 char a; 放到最后,只要不在中间,也是会压缩存储的
struct BitField_7
{
char a; // 第1个字节
char b: 4; // 第2个字节中的4位
char c: 4; // 第2个字节紧挨着的4位
};
6. 当使用有符号类型来定义位域,并且无意中使用到了正负(有意或者无意)特性时,就有问题了。
struct BitField_8
{
char a : 2;
char b : 3;
char c : 3;
};
struct BitField_8 BF8;
// 位域赋值
BF8.a = 0x3; // 11
BF8.b = 0x5; // 101
BF8.c = 0x2; // 010
printf("%d,%d,%d\n", BF8.a, BF8.b, BF8.c);
// OUTPUT: -1(0xff, 1111 1111), -3(0xfd, 1111 1101), 2(0x02, 0000 0110)
// 可见,当为域的最高位是1的时候,会进行符号扩展,而且这也取决于编译器的实现
// 因此,为避免此类问题,最好使用无符号类型定义位域
// 如果把BitField_8中的char换成unsigned char就没有问题了,输出是3, 5, 2,
从其内存布局可以看出,使用位域的最佳实践是:
第一,位域的类型要使用无符号类型,并且在整个结构体内部要保持一致;
第二,位域的总长度尽量与类型的长度保持一致;
第三,不要在两个位域中间穿插非位域字段;
如下代码所示:
struct BitFieldDemo { unsigned char a : 2; unsigned char b : 3; unsigned char c : 3; };