C语言位段(位域)机制结构体的特殊实现及解析

这篇文章主要为大家介绍了C语言位段位域机制结构体的特殊实现讲解有需要的朋友可以借鉴参考下，希望能够有所帮助，祝大家多多进步早日升职加薪

概念

什么是位段？

位段又称为位域，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员就叫做称为位段( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据达到节省空间的目的。

位段是结构体特有的，所以声明是和结构是类似的，但有两个不同：

1. 位段成员必须是 int ，unsigned int，signed int

2. 位段成员名后边结构包括一个冒号和整型数字

举个栗子：

struct haha
{
    unsigned int ch   : 8;    //8位
    unsigned int chh : 6;    //6位
    unsigned int chhh : 18;   //18位
};
struct haha dest;

内存分配

这里的 haha 就是一个位段的类型，这个神神秘秘的位段咱不常见，那么他的大小怎么算的呢？其实和结构体是一样的：

struct arr
{
int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct arr));
return 0;
}

这里 a：2什么意思呢？

成员 a 只占 2 个比特位，后面同理，既然这样，那我们总计 47 比特位，也就是 6 个字节 48 个比特位已经足够了，那为什么又是 8 呢？位段的内存分配到底是怎样的？

这里千万不要犯低级错误误认为他的大小就是 47 个比特位，和前一篇博客叙述原理相同，因为都是 int 类型，所有成员会向 int 看齐，int 是四字节，默认 8 字节，对齐数取 4 字节，a+b < 1字节，合并申请 1 字节空间，后面都需要独立申请空间，总计 1+2+4 = 7字节，结构体大小必须是最大对齐数整数倍，取 4 的整数倍就是 8，因此为 8 字节。

位段跨平台问题

我们细想刚刚这种机制，a，b，c，d 分别为 2,5,10,30 比特位，而我一个字节是 8 个比特位，假若在给 a 分配了 1 字节后，还剩 6 比特位，这 6 个位子我要不要让给二哥 b 成员来享用呢？==我是一字节一字节榨干资本还是出手阔绰安排"单人房"呢？==这里就有了歧义。

要知道位段在空间上是按照需要以四字节 int 或一字节 char 的方式来开辟空间，他涉及很多的不确定性因素，这就是为什么位段是不跨平台的，注重可移植性的程序应该避免使用位段。

有什么不确定因素呢，就好比我们刚刚提到的内存分配问题，这个问题连C语言标准都没有规定我到底该怎么利用，需要由具体的编译器环境决定，编译器环境又依赖于不同的平台比如 Linux 是 gcc 标准，VS则是 windows 标准。

我们要知道：

• 1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
• 2. 位段中最大位的数目不能确定（16位机器最大 16,32 位机器最大 32）。
• 3. 位段中成员的内存从左到右分配还是从右向左分配标准尚未定义。
• 4. 当一个结构中包含两个位段时，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时，是应当舍弃还是利用，标准尚未定义。

作用

“ 这么个玄乎的玩意儿拿来干嘛啊 ”你可能会有这样的疑问

我们拿上面的情景来分析一手：

int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;

我们不分配位段时，需要 16 个字节，分配后只要 8 个字节，其实位段就是为了节省空间，充当个省流大师。

位段使用的前提条件就是某些细节需要非常明确，假如我成员 a 的取值只有四种状态：00，01，10，11，那我给 a 分配 2 个字节是不是就足够了，那我就给 2 个，我如果一上手啪叽就是一个 int 类型，32 个字节横空出世，这个节省的性价比可不低哦~

当然万事万物不可能十全十美，我帮你节省但总归会有一定浪费，这是不可避免的。总结一下就是位段跟结构相比，可以达到相同效果且可以有效节省空间，但存在跨平台问题存在。

Tip

注意，位段机制跟栈还扯不上关系，入栈的是数据的字节，位段是在这些字节的内部空间上发挥作用，已经细节到“位”了，以及之前提到的大小端模式，大小端是连续字节数据的存放模式，也细化不到字节上。

应用场景

位段在实际生活中也有广泛的应用，比如我们网络上数据包的格式：

这就是我们在互联网上向某个对象发送信息的原理，里面最大的问题就是这个包如果直接扔到网上去，就会像拖拉机上高速，铁铁的堵车造成网络拥挤，我们就会利用位段机制进行适当缩减以减小网络的负担。

今天就到这里吧，摸了家人们。

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