浅谈C语言位段

1、位段的定义

百度百科中是这样解释位段的:

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

以下，我们均在VS2022的编译环境下去探讨和理解位段

2、位段的声明和使用

A、位段的声明

位段是与结构体相结合的，只有在结构体中才能使用位段,位段使用的根本目的是为了节省不必要消耗的内存空间。

这是位段的声明，这里有4个点需要注意：

1、上图中的1、2、3均是指比特位，即bit,一个二进制位

2、位段的适用类型只限于整型家族

3、同一个结构体中，使用位段时最好保持其中成员类型均相同

4、位段的大小不能超过该类型的实际大小，比如说对于char类型，最多只能是8个比特位，对于int类型，最多只能是32个比特位

B、位段的使用

以下是位段的简单使用：

3、位段的内存大小的计算

考虑到在不同的平台环境下，位段的内存大小计算有所不同，以下关于位段内存大小的计算是基于VS2022的编译环境：

例1：

在位段中，编译器看到char类型便会向内存中申请1个字节的空间。

a占去5个比特位，还剩3个比特位；b将这3个比特位占掉，此时第1个字节的空间用完。

紧接着的成员是char类型的c，又会开辟1个字节的内存空间,c占去4个比特位；

成员d要占去5个比特位，但是之前开辟的1个字节中仅剩4个比特位，不够用，所以将这4个比特位

舍去，重新开辟1个字节用以存储d，故最终该位段的大小为3个字节

例2：

VS编译器看到int类型的成员，便会向内存申请4个字节的空间

a占去1个比特位，还剩31个比特位;b在这剩余的31个比特位中占去30个比特位,还剩1个比特位；

c要占去4个比特位，剩余的1个比特位显然不够用,所以再开辟4个字节的内存空间，在这新开辟的4个字节中,c占到4个比特位

d则是在剩下的28个比特位中占20个比特位

所以，该位段的大小为8个字节.

4、位段在内存中的存储方式

考虑到位段在不同的编译器下存储方式有所不同，以下的讨论均基于VS2022。

探讨位段在内存中的存储方式，其本质是去探讨，在开辟的1个字节或4个字节的空间中，各个结构体成员在该空间内部是从左向右（低地址向高地址）存储的，还是从右向左（高地址向低地址）存储的。

我们这里先说结论：位段在内存中是从右向左存储的，即高地址向低地址存储的

以下进行相关验证：

struct S
{char a : 1;//1char b : 6;//001010char c : 4;//0101char d : 3;//011
};
//0001 0101     0011 0101
// 1     5       3    5 
int main()
{struct S s = { 0 };s.a = 1;//1s.b = 10;//1010s.c = 5;//101s.d = 11;//1011return 0;
}

将s初始化为0，则s的2个字节，16个比特位中均为0

在s的第1个字节空间中，从右向左存储,将a存储进去，存储的是1；b在初始化后6位二进制中放的是000000，在赋值后，存储的是001010，故第1个字节中存放的是 00010101

在s的第2个字节空间中，从右向左存储，将c存储进去，存储的是0101

由于d只有3个比特位的空间,故赋值11时会发生截断，实际存储到d中的是011，因此第2个字节中存放的是 00110101

将这2个字节转换为16进制表示则为 ： 15  35

接下来我们通过内存窗口进行观察验证：

可以看到内存中存储的确实为15 35，说明在VS2022的编译环境下，位段在内存中确实是从右向左（高地址向低地址）存储的

5、位段的局限

位段有很多的局限，这些局限也就导致了位段的跨平台性很差：

1、位段中int类型是看成 signed int 还是 unsigned int 这是不确定的

2、位段中最大位的数目不能确定。位段的大小除了不能超过相应类型的实际大小外，还不能超过机器的位数。在16位的机器上，位段最大为16个比特位；而在32位的机器上，位段最大为32个比特位

3、位段在内存中究竟是从左向右存储，还是从右向左存储，这是标准未定义的

4、在1个结构体中，开辟的内存空间在容纳完1个位段后，剩余的位无法容纳第2个位段时，这些剩余的位是利用还是不利用，这是不确定的

综上所述，为了保证程序的可移植性，应尽量避免位段的使用。