目錄

• 什么是位域
• 位域的定義
• 位域的使用
• 使用位域的注意點（重要）
• 實際應(yīng)用

什么是位域

有些信息在存儲時，并不需要占用一個完整的字節(jié)，而只需占幾個或一個bit。例如在存放一個開關(guān)量時，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)，用 1 bit即可。為了節(jié)省存儲空間，并使處理簡便，C 語言又提供了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為"位域"或"位段"。

所謂"位域"是把一個字節(jié)中的二進(jìn)制位劃分為幾個不同的區(qū)域，并說明每個區(qū)域的位數(shù)。每個域有一個域名，允許在程序中按域名進(jìn)行操作。這樣就可以把幾個不同的對象用一個字節(jié)的二進(jìn)制位域來表示。

典型的應(yīng)用場景：

• 用 1 位二進(jìn)位存放一個開關(guān)量時，只有 0 和 1 兩種狀態(tài)。
• 讀取外部文件格式——可以讀取非標(biāo)準(zhǔn)的文件格式。例如：9 位的整數(shù)。
• 結(jié)構(gòu)體中部分成員可能的賦值較小只需要用到1位或幾位，可以把這類成員湊到一起減少整個結(jié)構(gòu)體占用的空間。
• 可巧妙用于位操作

位域的定義

位域定義與結(jié)構(gòu)定義相仿，其形式為：

struct 位域結(jié)構(gòu)名 {位域列表 };

其中位域列表的形式為：

type [member_name] : width ;

其中 type ：類型說明符； member_name： 位域名； width ：位域長度；

例如：

struct TESTA {char a:3;char b:5;char c:4;char d:4; };

char 類型變量大小為一個字節(jié)（八位）， 取值范圍為(-128, 127)。在上述位域的定義中，
a 只取三位，取值范圍為(-4, 3)。如果 a 為無符號型（ unsigned char）， 則取值范圍為(0, 7)。

位域的使用

位域的使用和結(jié)構(gòu)成員的使用相同，其一般形式為：
位域變量名.位域名
或
位域變量指針名->位域名
位域允許用各種格式輸出。

示例：

int main() {struct bs{unsigned a:1;unsigned b:3;unsigned c:4;} bit,*pbit;bit.a=1; /* 給位域賦值（應(yīng)注意賦值不能超過該位域的允許范圍） */bit.b=7; /* 給位域賦值（應(yīng)注意賦值不能超過該位域的允許范圍） */bit.c=15; /* 給位域賦值（應(yīng)注意賦值不能超過該位域的允許范圍） */printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c); /* 以整型量格式輸出三個域的內(nèi)容 */pbit=&bit; /* 把位域變量 bit 的地址送給指針變量 pbit */pbit->a=0; /* 用指針方式給位域 a 重新賦值，賦為 0 */pbit->b&=3; /* 使用了復(fù)合的位運算符 "&="，相當(dāng)于：pbit->b=pbit->b&3，位域 b 中原有值為 7，與 3 作按位與運算的結(jié)果為 3（111&011=011，十進(jìn)制值為 3） */pbit->c|=1; /* 使用了復(fù)合位運算符"|="，相當(dāng)于：pbit->c=pbit->c|1，其結(jié)果為 15 */printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c); /* 用指針方式輸出了這三個域的值 */ }

結(jié)果：

使用位域的注意點（重要）

1、位域成員必須聲明為整型int、unsigned int或signed int類型，或是char，unsigned char，但不能是浮點型包括float，double
在ANSI C 中，這幾種數(shù)據(jù)類型是signed int和unsigned int；到了C99、C11新增了_Bool 的位字段。支持char一般是由于編譯器擴充的。

2、位域的長度不能超過它所依附的數(shù)據(jù)類型的長度，成員變量都是有類型的，這個類型限制了成員變量的最大長度，: 后面的數(shù)字不能超過這個長度。
例如：

struct k{int a : 33; }

這里就會報錯。

3、位域可以是無名位域，這時它只用來作填充或調(diào)整位置。無名的位域是不能使用的（沒有名稱當(dāng)然沒法訪問）。例如：

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

4、當(dāng)無名位域且長度度為0時，表示下一個變量從下一段地址開始存儲。（下一段地址的具體位置還得根據(jù)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊原則）
示例：

#include <stdio.h>struct k {char a : 2;char : 0;char b : 2;char c : 2; }; struct k test; int main() {char* ptr = (char *)&test;test.a = 1;test.b = 1;test.c = 1;printf("siezof(test)=%d\n",sizeof(test));printf("*ptr=%x ptr=%p\n", *ptr,ptr);printf("*ptr=%x ptr=%p\n", *(ptr+1), ptr + 1); }

結(jié)果：

上述例程中，位域a獨占一個字節(jié)，b和c共占一個字節(jié)。
b直接從下一個字節(jié)地址開始存儲了。

5、不能使用位域的地址，如：

struct k {char a : 2;char : 0;char b : 2;char c : 2; }; struct k test; printf("&test.a=%p\n",&test.a);//報錯 不能使用位域的地址

6、當(dāng)結(jié)構(gòu)體位域成員超出了限定的位數(shù)，將發(fā)生上溢（溢出中的一種）。

#include <stdio.h>struct {unsigned int age : 3; } Age;int main() {unsigned int* ptr = &Age;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; // 二進(jìn)制表示為 1000 有四位，超出了定義的3位長度printf("Age.age : %d\n", Age.age);printf("*p=%x\n", *ptr);return 0; }

結(jié)果：

注意，從最后的*p=0可以看出，溢出沒有導(dǎo)致其他位發(fā)現(xiàn)改變，否則這里就會等于8了。

7、位域可以和正常的結(jié)構(gòu)體成員寫到一起。如：

struct {unsigned int age1 : 3;unsigned int age2 : 3;unsigned int age3;unsigned int age4 : 3; } Age;

8、一個位域存儲在N個字節(jié)中，如一個字節(jié)所剩空間不夠存放另一位域時，則會從下一單元起存放該位域。即不能跨字節(jié)存儲位域。
舉例：

struct pack {unsigned int a:12; unsigned int b:24; unsigned int c:6; };

sizeof(struct pack) = 8

一個unsigned int是4字節(jié)，a占了12位，還剩20字節(jié)，b需要24位，已經(jīng)不夠了，又不能跨字節(jié)，因此b只能存在下一個unsigned int。

程序驗證：

struct pack {unsigned int a : 12;unsigned int b : 24;unsigned int c : 6; }; struct pack test; int main() {unsigned int* ptr = (unsigned int *)&test;test.a = 0xFFF;test.b = 0xFFFFFF;test.c = 0x3F;printf("*ptr=%08X\n", *ptr);printf("*(ptr+1)=%08X\n", *(ptr+1)); }

結(jié)果：

由上面的測試可以驗證，a和b之間的確有空的區(qū)域，即結(jié)果中的00000部分；

9、整個結(jié)構(gòu)體空間占用大小
含位域的結(jié)構(gòu)體占用存儲大小規(guī)則大致如下：

如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則后面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納為止

如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲單元開始，其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍；

如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現(xiàn)有差異，VC6采取不壓縮方式，Dev-C++，GCC采取壓縮方式；

如果位域字段之間穿插著非位域字段，則不進(jìn)行壓縮（非位域字段保持其類型的對應(yīng)大小）；

整個結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

第1,2點規(guī)則實際就是上面第8點所說的注意項問題，參考上文的示例即可。
第3點相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現(xiàn)有差異舉例：

#include <stdio.h>struct test {char a : 2;char b : 3;int c : 1; };int main(void) {printf("%d\n", sizeof(struct test));return 0; }

在Visual Studio 2019上運行結(jié)果：

在Linux上GCC編譯運行結(jié)果：
4
(gcc version:4.8.2)

第四點如果位域字段之間穿插著非位域字段，則不進(jìn)行壓縮，指的是非位域字段不壓縮

#include <stdio.h>struct test {char a : 2;char b : 3;int d ;int c : 1; };int main(void) {printf("%d\n", sizeof(struct test));return 0; }

如上述示例程序struct test的d就是插在位域中的非位域字段，它的類型是int，所以d占4個字節(jié)，a和b共占4個字節(jié)，c單獨占4個字節(jié)，因此sizeof(struct test) = 12

對于有位域的結(jié)構(gòu)體占用存儲大小的問題，做一個精簡的方法總結(jié)：
帶有’位域’的結(jié)構(gòu)體并不是按照每個域?qū)R的，而是將一些位域 成員’捆綁’在一起做對齊的。"捆綁"還需注意跨字節(jié)問題，不能跨字節(jié)存儲位域。位域捆綁后，按照普通結(jié)構(gòu)體占用大小的規(guī)則計算即可。

實際應(yīng)用

示例：

#include <stdio.h>union STATE {struct BITDATA{int D0 : 1;int D1 : 1;int D2 : 1;int D3 : 1;int D4 : 1;int D5 : 1;int D6 : 1;int D7 : 1;}BIT;int value; };int main(void) {int a = 0xFF;union STATE* sta;sta = &a;printf("sta.value=%02X\n",sta->value);printf("sizeof=%d\n", sizeof(sta->value));sta->BIT.D0 = 0;//給第一個位賦值printf("sta.value=%X\n", sta->value);printf("a=%X\n", a);return 0; }

上述例程，使用union和位域?qū)崿F(xiàn)對變量的某一bit位進(jìn)行操作；該方式可用于計算機操作底層硬件寄存器。
結(jié)果：

參考：
https://blog.51cto.com/u_15244533/2845234
https://blog.51cto.com/u_14207158/2352294
https://blog.51cto.com/u_9233403/2121352
https://www.runoob.com/cprogramming/c-bit-fields.html
https://blog.csdn.net/sty124578/article/details/79456405

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C语言 位域的使用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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