C语言位域

参考链接C 位域 | 菜鸟教程

如果程序的结构中包含多个开关量只有 TRUE/FALSE 变量如下

struct
{
  unsigned int widthValidated;
  unsigned int heightValidated;
} status;

这种结构需要 8 字节的内存空间但在实际上在每个变量中我们只存储 0 或 1。在这种情况下C 语言提供了一种更好的利用内存空间的方式。如果您在结构内使用这样的变量您可以定义变量的宽度来告诉编译器您将只使用这些字节。例如上面的结构可以重写成

struct
{
  unsigned int widthValidated : 1;
  unsigned int heightValidated : 1;
} status;

现在上面的结构中status 变量将占用 4 个字节的内存空间但是只有 2 位被用来存储值。如果您用了 32 个变量每一个变量宽度为 1 位那么 status 结构将使用 4 个字节但只要您再多用一个变量如果使用了 33 个变量那么它将分配内存的下一段来存储第 33 个变量这个时候就开始使用 8 个字节。让我们看看下面的实例来理解这个概念

实例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
/* 定义简单的结构 */
struct
{
  unsigned int widthValidated;
  unsigned int heightValidated;
} status1;
 
/* 定义位域结构 */
struct
{
  unsigned int widthValidated : 1;
  unsigned int heightValidated : 1;
} status2;
 
int main( )
{
   printf( "Memory size occupied by status1 : %d\n", sizeof(status1));
   printf( "Memory size occupied by status2 : %d\n", sizeof(status2));
 
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时它会产生下列结果

Memory size occupied by status1 : 8
Memory size occupied by status2 : 4

位域声明

有些信息在存储时并不需要占用一个完整的字节而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时只有 0 和 1 两种状态用1位二进位即可。为了节省存储空间并使处理简便C语言又提供了一种数据结构称为"位域"或"位段"。

所谓"位域"是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域并说明每个区域的位数。每个域有一个域名允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

典型的实例

用 1 位二进位存放一个开关量时只有 0 和 1 两种状态。
读取外部文件格式——可以读取非标准的文件格式。例如9 位的整数。

位域的定义和位域变量的说明

位域定义与结构定义相仿其形式为

struct 位域结构名 
{

 位域列表

};

其中位域列表的形式为

type [member_name] : width ;

下面是有关位域中变量元素的描述

元素	描述
type	只能为 int(整型)unsigned int(无符号整型)signed int(有符号整型) 三种类型决定了如何解释位域的值。
member_name	位域的名称。
width	位域中位的数量。宽度必须小于或等于指定类型的位宽度。

带有预定义宽度的变量被称为位域。位域可以存储多于 1 位的数例如需要一个变量来存储从 0 到 7 的值您可以定义一个宽度为 3 位的位域如下

struct
{
  unsigned int age : 3;
} Age;

上面的结构定义指示 C 编译器age 变量将只使用 3 位来存储这个值如果您试图使用超过 3 位则无法完成。

struct bs{
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
}data;

data 为 bs 变量共占两个字节。其中位域 a 占 8 位位域 b 占 2 位位域 c 占 6 位。

让我们再来看一个实例

struct packed_struct {
  unsigned int f1:1;
  unsigned int f2:1;
  unsigned int f3:1;
  unsigned int f4:1;
  unsigned int type:4;
  unsigned int my_int:9;
} pack;

在这里packed_struct 包含了 6 个成员四个 1 位的标识符 f1…f4、一个 4 位的 type 和一个 9 位的 my_int。

让我们来看下面的实例

实例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct
{
  unsigned int age : 3;
} Age;
 
int main( )
{
   Age.age = 4;
   printf( "Sizeof( Age ) : %d\n", sizeof(Age) );
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
 
   Age.age = 7;
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
 
   Age.age = 8; // 二进制表示为 1000 有四位超出
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );
 
   return 0;
}

当上面的代码被编译时它会带有警告当上面的代码被执行时它会产生下列结果

Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0

对于位域的定义尚有以下几点说明
一个位域存储在同一个字节中如一个字节所剩空间不够存放另一位域时则会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  :4;    /* 空域 */
        unsigned b:4;    /* 从下一单元开始存放 */
        unsigned c:4
    }

在这个位域定义中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。

位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度成员变量都是有类型的这个类型限制了成员变量的最大长度: 后面的数字不能超过这个长度。

位域可以是无名位域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。例如

struct k{
        int a:1;
        int  :2;    /* 该 2 位不能使用 */
        int b:3;
        int c:2;
    };

从以上分析可以看出位域在本质上就是一种结构类型不过其成员是按二进位分配的。
位域的使用

位域的使用和结构成员的使用相同其一般形式为

位域变量名.位域名
位域变量名->位域名

位域允许用各种格式输出。

请看下面的实例

实例

#include <stdio.h>
 
int main(){
    struct bs{
        unsigned a:1;
        unsigned b:3;
        unsigned c:4;
    } bit,*pbit;
    bit.a=1;    /* 给位域赋值应注意赋值不能超过该位域的允许范围 */
    bit.b=7;    /* 给位域赋值应注意赋值不能超过该位域的允许范围 */
    bit.c=15;    /* 给位域赋值应注意赋值不能超过该位域的允许范围 */
    printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);    /* 以整型量格式输出三个域的内容 */
    pbit=&bit;    /* 把位域变量 bit 的地址送给指针变量 pbit */
    pbit->a=0;    /* 用指针方式给位域 a 重新赋值赋为 0 */
    pbit->b&=3;    /* 使用了复合的位运算符 "&="相当于pbit->b=pbit->b&3位域 b 中原有值为 7与 3 作按位与运算的结果为 3111&011=011十进制值为 3 */
    pbit->c|=1;    /* 使用了复合位运算符"|="相当于pbit->c=pbit->c|1其结果为 15 */
    printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);    /* 用指针方式输出了这三个域的值 */
}

上例程序中定义了位域结构 bs三个位域为 a、b、c。说明了 bs 类型的变量 bit 和指向 bs 类型的指针变量 pbit。这表示位域也是可以使用指针的。