位域

位域是指信息在存儲時,並不需要占用一個完整的位元組, 而只需占幾個或一個二進制位。例如在存放一個開關量時,只有0和1 兩種狀態, 用一位二進位即可。為了節省存儲空間,並使處理簡便,C語言又提供了一種數據結構,稱為“位域”或“位段”。所謂“位域”是把一個位元組中的二進位劃分為幾 個不同的區域, 並說明每個區域的位數。每個域有一個域名,允許在程式中按域名進行操作。 這樣就可以把幾個不同的對象用一個位元組的二進制位域來表示。

一、位域的定義和位域變數的說明

位域定義

與結構定義相仿,其形式為:
struct 位域結構名
{ 位域列表 };
其中位域列表的形式為: 類型說明符 位域名:位域長度
例如:
struct bs
{int a:8;int b:2;int c:6;};

位域變數的說明

與結構變數說明的方式相同。 可採用先定義後說明,同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如:
struct bs
{int a:8;int b:2;int c:6;}data;
說明data為bs變數,共占2個位元組。其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。

位域定義的幾點說明

對於位域的定義尚有以下幾點說明:
1. 一個位域必須存儲在同一個位元組中,不能跨兩個位元組。如一個位元組所剩空間不夠存放另一位域時,應從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。例如:
struct bs
{
unsigned a:4;
unsigned :0 ;/*空域*/
char b:4 ;/*從下一單元開始存放*/
unsigned c:4;
}data;
VC6(默認的配置,未作任何最佳化選擇) 對空域的處理。
實驗中,0x0012ff74為變數data的起始地址,位域a填充0x0012ff74的後四位(前四位還是後四位 應該和大小端有關係,在我的機子上是放在後四位),位域b從0x0012ff78開始,占據0x0012ff78的後四位。所以空域占據了從a開始的4位元組剩餘部分。
乍看 VC6對空餘的處理是依據空域的類型,即unsigned。其實不然。
經試驗,空域所占大小和 a的類型及 空餘的類型 二者皆相關。
即以下四種情況,
a,空域皆為char時,二者共占據1位元組
a 為unsigned,空域為unsigned; a 為char,空域為unsigned; a 為unsigned,空域為char;這三種情況,二者共占據4位元組。
2. 位域的長度不能大於指定類型固有長度,比如說int的位域長度不能超過32,bool的位域長度不能超過8。
3. 位域可以無位域名,這時它只用來作填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。例如:
struct k
{int a:1int :2 /*該2位不能使用*/int b:3int c:2};
從以上分析可以看出,位域在本質上就是一種結構類型, 不過其成員是按二進位分配的。

二、位域的使用及占用空間

位域的使用

位域的使用和結構成員的使用相同,其一般形式為: 位域變數名·位域名 位域允許用各種格式輸出。
int main(void)
{
struct bs
{
unsigned a: 1;
unsigned b: 3;
unsigned c: 4;
}bit, *pbit;
bit.a = 1;
bit.b = 7;
bit.c = 15;
printf("%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c);
pbit = &bit;
pbit->a = 0;
pbit->b &= 3;
pbit->c |= 1;
printf("%d,%d,%d\n", pbit->a, pbit->b, pbit->c);
return 0;
}
 上例程式中定義了位域結構bs,三個位域為a,b,c。說明了bs類型的變數bit和指向bs類型的指針變數pbit。這表示位域也是可以使用指針的。
程式的9、10、11三行分別給三個位域賦值。( 應注意賦值不能超過該位域的允許範圍)程式第12行以整型量格式輸出三個域的內容。第13行把位域變數bit的地址送給指針變數pbit。第14行用指針 方式給位域a重新賦值,賦為0。第15行使用了複合的位運算符"&=", 該行相當於: pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值為7,與3作按位與運算的結果為3(111&011=011,十進制值為 3)。同樣,程式第16行中使用了複合位運算"|=", 相當於: pbit->c=pbit->c|1其結果為15。程式第17行用指針方式輸出了這三個域的值。
為了節省空間,可以把幾個數據壓縮到少數的幾個類型空間上,比如需要表示二個3位二進制的數,一個2位二進制的數,則可以用一個8位的字元表示之。
struct
{char a : 3;char b : 3;char c : 2;} ;
這個結構體所占空間為一個位元組,8位。節省了空間。

位域的對齊

如果結構體中含有位域(bit-field),那么VC中準則是:
1) 如果相鄰位域欄位的類型相同,且其位寬之和小於類型的sizeof大小,則後面的欄位將緊鄰前一個欄位存儲,直到不能容納為止;
2) 如果相鄰位域欄位的類型相同,但其位寬之和大於類型的sizeof大小,則後面的欄位將從新的存儲單元開始,其偏移量為其類型大小的整數倍;
3) 如果相鄰的位域欄位的類型不同,則各編譯器的具體實現有差異,VC6採取不壓縮方式(不同位域欄位存放在不同的位域類型位元組中),Dev-C++和GCC都採取壓縮方式;
系統會先為結構體成員按照對齊方式分配空間和填塞(padding),然後對變數進行位域操作。

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