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[C++] C/C++位结构(位域)[转]
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转自:http://hi.baidu.com/liudeandg/blog/item/121633ddd2bf71265882dd20.html
位域 :
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, 用一位二进位即可。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。一、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: 类型说明符 位域名:位域长度
例如:
struct bs
{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
};
位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明,同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如:
struct bs
{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
}data;
说明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。对于位域的定义尚有以下几点说明:
1. 一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节(这个限制好像仅限于char型)。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应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 :0 /*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。
2. 由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是说不能超过8位二进位。
3. 位域可以无位域名,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。
二、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 位域允许用各种格式输出。
main(){
struct bs
{
unsigned a:1;
unsigned b:3;
unsigned c:4;
} bit,*pbit;
bit.a=1;
bit.b=7; //注意:位域的赋值不能超过该域所能表示的最大值,如b只有3位,能表示的最大数为7,若赋为8,就会出错
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);
}
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。
程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。( 应注重赋值不能超过该位域的答应范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针 方式给位域a重新赋值,赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&=", 该行相当于: 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)。同样,程序第16行中使用了复合位运算"=", 相当于: pbit->c=pbit->c1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。
我们再来看看下面两个结构体定义:
struct foo2 {
char a : 2;
char b : 3;
char c : 1;
};
struct foo3 {
char a : 2;
char b : 3;
char c : 7;
};
我们来打印一下这两个结构体的大小,我们得到的结果是:
sizeof(struct foo2) = 1
sizeof(struct foo3) = 2
显然都不是我们期望的,如果按照正常的内存对齐规则, 这两个结构体大小均应该为3才对,那么问题出在哪了呢?首先通过这种现象我们可以肯定的是:带有'位域'的结构体并不是按照每个域对齐的,而是将一些位域 成员'捆绑'在一起做对齐的。以foo2为例,这个结构体中所有的成员都是char型的,而且三个位域占用的总空间为6 bit < 8 bit(1 byte),这时编译器会将这三个成员'捆绑'在一起做对齐,并且以最小空间作代价,这就是为什么我们得到sizeof(struct foo2) = 1这样的结果的原因了。再看看foo3这个结构体,同foo2一样,三个成员类型也都是char型,但是三个成员位域所占空间之和为9 bit > 8 bit(1 byte),这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的,这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐,而c单独拿出来以char类型做对齐, 这样实际上在b和c之间出现了空隙,但这也是最节省空间的方法了。我们再看一种结构体定义:
struct foo4 {
char a : 2;
char b : 3;
int c : 1;
};
在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte),但是由于char和int的对齐系数是不同的,是不能捆绑在一起,那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐,c单独按照int对齐呢?我们 打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为8,也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。就是说不够一个类型的size时,将按其中最大的那个类型对齐。此 处按int对齐。
网上有如下的解释:
/*************************************************************************
C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,
允许其它类型类型的存在。
使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字
段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字
段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;(经测试此条好像仅限于char型,整型可以跨域存储)
3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方
式,Dev-C++采取压缩方式;
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。
***************************************************************************/
struct s1
{
int i: 8;
int j: 4;
int a: 3;
double b;
};
struct s2
{
int i: 8;
int j: 4;
double b;
int a:3;
};
printf("sizeof(s1)= %d\n", sizeof(s1));
printf("sizeof(s2)= %d\n", sizeof(s2));
result: 16, 24
第一个结构体中,i,j,a共占15个位,不足8个字节,按double 8字节对齐,共16字节
第二个结构体中,i,j共占12位,不足8字节,按8字节对齐,a也按8字节对齐,加上double共8+8+8=24个字节
位域的定义如下 :
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, 用一位二进位即可。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。一、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: 类型说明符 位域名:位域长度
位域有几点说明:
1、一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应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,比如利用空域和无位域名的位域。
2、位域的长度不能大于数据类型本身的长度,比如int类型就能超过32位二进位。有其他人说是不能超过8位,我在我的机子上(linux as4系统)是可以实现int :32的位域长度的。莫非是位域重新进行定义了?
3、位域可以无位域名,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。
二、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
位域允许用各种格式输出。
举个例子:
1 #include <stdio.h>
2
3 int main()
4 {
5 struct bs
6 {
7 char a:1;
8 char b:3;
9 char :0; /*空域*/
10 char c:4;
11 char :6; /*无位域名的位域*/
12 int e:18;
13 } __attribute__((packed)); /*必须增加__attribute__((packed)),否则对齐的时候会和预计结果不同*/
14
15 struct bs bit,*pbit;
16
17 printf("size of char is %d\n", sizeof(char));
18 printf("size of int is %d\n", sizeof(int));
19
20 printf("size of bit is %d\n", sizeof(bit));
21
22 return 0;
23 }
运行的结果1如下:
size of char is 1
size of int is 4
size of bit is 4
如果把程序第12行的e:18改为19的话,那么运行结果2如下:
size of char is 1
size of int is 4
size of bit is 5
如果把程序第13行的__attribute__((packed))去掉,那么运行结果3如下:
size of char is 1
size of int is 4
size of bit is 8
对运行结果123进行比较可以得知:
1、位域长度可以大于8,具体看数据类型,我测试了每一种数据类型,每一种类型的最大位域长度均为自身类型的长度;
2、空域的作用在添加了__attribute__((packed))之后失效;
3、未添加__attribute__((packed))的位域会对数据进行对齐:
例如:
{
char a:5;
int b:27;
};
bf的字节数为4,如果将a的位域改为6,那么a和b的位域长度和超过int的长度32,int类型根据自身长度的倍数进行对齐,所以bf的字节数则变为8。
同样
{
int b:27;
char a:5;
}
也有同样的结论。
如果添加了了__attribute__((packed)),那么系统会对数据进行压缩,而不会发生bf的结果。
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