由浅到深认识C语言（12）：位段/位域

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上一章：由浅到深认识C语言（11）：结构体

12.位段/位域

这里需要记住，在内存中数据插入输出的顺序，即逆序插入，顺序输出！详解在8.3指针变量中变量的类型；

问题提出：信息在计算机的存取长度一般以 Byte 为单位，但是有时候存储一个信息不必用到一个或者多个 Byte，例如”真“或”假“用 1 或 0 表示即可，只需要 1 bit，此时我们就需要使用位段；

**定义：**C语言允许在一个结构体中以 bit 为单位来指定其成员所占内存长度，以 bit 为单位的成员称为”位段“或称”位域“，而且这些成员的数据类型大都为 unsigned int ，也可以用 unsigned char；

格式示例如下：

struct data
{unsigned int a : 2;		//a占2位unsigned int b : 6;		//b占6位unsigned int c : 4;		//c占4位unsigned int d : 4;		//d占4位unsigned int i;			//i占32位
}data;

图解如下：

i	d	c	b	a
32bit	4bit	4bit	6bit	2bit

而且相邻位域是可以被压缩的，且相邻位域压缩的位数不能超过成员自身的大小；

解释如下： 以下数据类型仅为 unsigned int 和 unsigned char；

若相邻成员数据类型相同（可压缩）：

• 如果我们使用的是 unsigned int 类型，最多能够压缩 32 个连续的 unsigned int num : 1; 即最多压缩 32 个 0/1 编码，如果连续的相同数据类型成员位数超过了 4B ，即 32b ，如果大小溢出了 4B ，即大于等于了 33b 的话，进而成为 8B ，如果只压缩了 33 个 unsigned int num : 1 ，无论打印出来是多少 B ，实际大小还是为 33b ，往后以此类推；

• 如果我们使用的是 unsigned char 类型，最多能够压缩 8 个连续的 unsigned char ch : 1; 即最多压缩 8 个 0/1 编码，如果连续的相同数据类型成员位数超过了 1B ，即 8b ，如果大小溢出了 1B ，即大于等于了 9b 的话，进而成为 2B ，如果只压缩了 9 个 unsigned char ch : 1 ，无论打印出来是多少 B ，实际大小还是为 9b ，往后以此类推；

若相邻成员数据类型不同（不可压缩）：

不相邻的两个成员或者两类成员，则既要将两类数据内存按照 int 或者 char 基本数据类型的内存进行加减，又要将每一类中的各个成员内存进行压缩；

示例如下：

#include<stdio.h>
#pragma pack(1)
struct bit_data
{unsigned char a : 1;unsigned char b : 1;unsigned char c : 1;unsigned char d : 1;unsigned char e : 1;unsigned char f : 1;unsigned char g : 1;unsigned char h : 1;
}data;int main(int argc, char* argv[]) {printf("data = %d\n", sizeof(data));
}

打印效果如下：

12.1.位段的注意事项

• 位段不能取地址：

  因为内存地址是以 Byte 为单位，因为系统内存是以 Byte 为基本单位，系统不会识别在 bit 上的地址；

• 位段的赋值：

  不要操作越界的数据，解释如下：

  #include<stdio.h>struct bit_data
  {unsigned char a : 1;	//0-1				==>		0-1unsigned char b : 2;	//00-11				==>		0-3unsigned char c : 3;	//000-111			==>		0-7unsigned char d : 4;	//0000-1111			==>		0-15unsigned char e : 5;	//00000-11111		==>		0-31unsigned char f : 6;	//000000-111111		==>		0-63unsigned char g : 7;	//0000000-1111111	==>		0-127unsigned char h : 8;	//00000000-11111111	==>		0-255
  }data;int main(int argc, char* argv[]) {data.a = 1;printf("%u\n", data.a);data.b = 3;printf("%u\n", data.b);data.c = 7;printf("%u\n", data.c);data.d = 15;printf("%u\n", data.d);data.e = 31;printf("%u\n", data.e);data.f = 63;printf("%u\n", data.f);data.g = 127;printf("%u\n", data.g);data.h = 255;printf("%u\n", data.h);
  }
  

  打印效果如下：

  

• 无意义位段：

  无意义位段用来限制压缩，解释如下：

  以下示例将位段定义成了全局变量，可以不用初始化为零值（因为全局变量会自动初始化），但是如果将该位段定义成局部变量，那么就需要我们手动初始化为零，因为局部变量载入时是一个不确定的值；

  struct bit_data
  {unsigned char a : 2;unsigned char : 2;    //无意义的位段，仅作占位符，占两个 bitunsigned char b : 2;unsigned char c : 2;
  }data;
  

  图示如下：

  c	c	b	b			a	a

  验证如下：

  #include<stdio.h>
  #include<string.h>
  struct bit_data
  {unsigned char a : 2;unsigned char : 2;    //无意义的位段，仅作占位符，占两个 bitunsigned char b : 2;unsigned char c : 2;
  }data;int main(int argc, char* argv[]) {//如果是定义成了局部变量，还需要包含string.h头文件，然后：//memset(&data,0,1);data.a = 0;data.b = 2;data.c = 3;//此时data转换成二进制为 1110 0000 ==> 十六进制 0xe0printf("data = %#x\n",data);
  }
  

  打印效果如下：

  

• 另起一个位段：

  当我们将无意义位段设置为 0 时，我们就成功另起了一个位段，即在内存的另一处重新开辟了一个容器来装下一个位段的内容，证明如下：

  #include<stdio.h>
  #include<string.h>
  typedef struct data{unsigned char a : 2;unsigned char : 0;unsigned char b : 2;unsigned char : 0;unsigned char c : 2;unsigned char : 0;unsigned char d : 2;
  }DATA;int main(int argc, char* argv[]) {DATA data;memset(&data, 0, 4);//此时这个结构体里包含了四个位段地址printf("sizeof(data) = %d\n", sizeof(data));data.a = 0;data.b = 1;data.c = 2;data.d = 3;printf("%x\n", data);
  }
  

  打印效果如下：

  

12.2.位域和单片机

图解如下：

代码如下：

#include<stdio.h>typedef struct {unsigned char data : 1;unsigned char : 1;unsigned char addr : 2;unsigned char : 1;unsigned char opt : 2;unsigned char : 1;
}DATA;int main(int argc, char* argv[]) {//下面是单片机定义DATA msg;msg.data = 1;msg.addr = 2;msg.opt = 1;
}

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