24.位域-

• 1.概念

C 语言的位域（bit-field）是一种特殊的结构体成员，允许我们按位对成员进行定义，指定其占用的位数。
位域允许我们将多个变量打包到一个整数内存单元中，通过指定变量占用的位数来节省空间。
如果程序的结构中包含多个开关的变量，即变量值为 TRUE/FALSE，如下：

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

上述代码解析：

1. 理论存储需求
   widthValidated：1位（0或1） ，表示的是这个值的二进制所占的位数
   heightValidated：1位（0或1）
   理论上只需要 2位（不足1字节）

2. 实际内存占用（4字节）的原因
   内存对齐规则：C标准规定位域的底层存储单元是某种整数类型（如unsigned int）
   最小分配单位：即使你只用了2位，编译器仍然会分配一个完整的unsigned int单元（通常是4字节）
   不可分割性：位域不能跨存储单元分配

3. 内存布局示例

[整个unsigned int（4字节/32位）]
| 31...2 | 1          | 0          |
| 未使用 | heightValid | widthValid |

上面的结构中，status 变量将占用 4 个字节(32位)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：

#include <stdio.h>
#include <string.h>/*定义简单结构*/
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("status1 占用的内存大小为：%d\n", sizeof(status1));printf("status2 占用的内存大小为：%d\n", sizeof(status2));return 0;
}//输出
8
4

• 位域的特点和使用方法如下：

  • 定义位域时，可以指定成员的位域宽度，即成员所占用的位数。
  • 位域的宽度不能超过其数据类型的大小，因为位域必须适应所使用的整数类型。
  • 位域的数据类型可以是 int、unsigned int、signed int 等整数类型，也可以是枚举类型。
  • 位域可以单独使用，也可以与其他成员一起组成结构体。
  • 位域的访问是通过点运算符（.）来实现的，与普通的结构体成员访问方式相同。

• 2.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。
如：

[整个unsigned int（4字节/32位）]
| 31...2 | 1          | 0          |
| 未使用 | heightValid | widthValid |

• 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。

• 3.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。

案例

#include <stdio.h>struct packed_struce {unsigned int f1 : 1; //1位的位域unsigned int f2 : 1; //1位的位域unsigned int f3 : 1; //1位的位域unsigned int f4 : 1; //1位的位域unsigned int type : 4; //4位的位域unsigned int my_int : 9; //9位的位域
};int main(){struct packed_struct pack;//赋值pack.f1 = 1;pack.f2 = 0;pack.f3 = 1;pack.f4 = 0;pack.type = 7;pack.my_int = 255;printf("f1: %u\n", pack.f1);printf("f2: %u\n", pack.f2);printf("f3: %u\n", pack.f3);printf("f4: %u\n", pack.f4);printf("type: %u\n", pack.type);printf("my_int: %u\n", pack.my_int);return 0;
}//输出
f1: 1
f2: 0
f3: 1
f4: 0
type: 7
my_int: 255

• 刨析案例

#include <stdio.h>
#include <string.h>struct {unsigned int age : 3; // 3位位域，可表示0~7
} 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;
}//输出
Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0

关键点：

• age : 3 表示这个成员只占用3个二进制位

• 3位无符号整数的取值范围是 0~7（2^3 - 1）

• 当你尝试 Age.age = 8 时：

  • 8的二进制是 1000（需要4位表示）
  • 超出3位的存储能力

• 具体执行过程

---

代码 说明 输出结果

---

Age.age = 4 4的二进制是 100（3位内）正常存储 Age.age : 4

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Age.age = 7 7的二进制是 111（刚好3位）正常存储 Age.age : 7

---

Age.age = 8 8需要 1000（4位）超出3位限制发生截断 Age.age : 0（异常）

---

• 为什么输出0

• 当赋值超出位域范围时：

  • 编译器会截断高位，只保留低位
  • 对于 8（二进制 1000）：
  • 取最后3位 000
  • 结果是 0

• 计算字节数：

#include <stdio.h>struct example1 {int a : 4;int b : 5;int c : 7;
};int main() {struct example1 ex1;printf("Size of example1: %lu bytes\n", sizeof(ex1));return 0;
}//输出
Size of example1: 4 bytes

• 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：

#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 3（111&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 */
}