【C语言】使用结构体实现位段

一、什么是位段

   在上一节中我们讲解了结构体，而位段的声明和结构是类似的，它们有两个不同之处，如下：

1. 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型
2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字

比如：

struct A
{int a:2;int b:5;int c:10;int d:30;
};

   位段位段，那么变量后面的数字有没有可能就是二进制位，比如成员a是不是就是占据2个二进制位呢？
   我们可以通过计算这个位段的大小来试着查看，如图：

   如果它们都按整型算，那么应该是16个字节，现在却是8个字节，说明它还真的有可能是我们说的，每个成员后面是存储它们需要的二进制位
   但是出了一些意外，原本按二进制位算出来应该是47位，也就是6个字节，为什么这里是8个字节，我们慢慢往后学习就知道了

二、位段的内存分配

1.位段内存分配规则

位段的使用有以下三个需要注意的地方：

1. 位段的成员可以是 int 、unsigned int 、signed int 或者是 char 等类型
2. 位段的空间上是按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的⽅式来开辟的，比如是整型int时就一次性开辟4个字节，是字符型char就一次型开辟1个字节
3. 当开辟的空间不足时，才再次开辟对应的空间，不会一次性就开辟完所有空间，而是一个一个开辟

   接着我们通过举例说明它的特点，以及应用

练习1

#include <stdio.h>struct S
{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S));return 0;
}
//空间是如何开辟的？

   首先第一个成员是char类型，所以会开辟一个字节的空间，然后把a放进去，那么a这三个比特位到底怎么存放呢？从左边还是从右边开始使用？如图：

   位段从开辟空间的左边还是右边开始使用，这是C语言标准未规定的，也就是说可能有的编译器实现时，从左往右开始使用，而有的编译器在实现时，又是从右往左开始使用
   我们当前的编译器是VS2022，这个编译器在使用位段空间时，就是采用从右往左开始使用，那么按照这个逻辑我们看看能不能算出来位段S的最终大小
   所以当成员a放入位段时，应该是这个样子：

   接着我们继续看第二个成员b，它占据4个比特位，所以我们从右往左继续去存放b，如图：

   接着我们来看第三个成员c，它占用5个比特位，但是现在开辟的1个字节的空间不够用了，所以现在会像第2点说的，空间不够时再次开辟对应的空间，而这里的c是char类型，所以会再次创建一个字节，如图：

   那么此时问题又来了，我们的c是会继续使用第一个字节剩下的那个比特位，再加上第二个字节的4个比特位这种方式，还是会直接浪费掉第一个字节剩下的比特位，直接从右向左存放c
   这也是C语言未定义的，所以有的编译器可能会使用那剩余的比特位，而有的编译器不会使用，这完全取决于编译器
   所以现在我们可以按两种思路分别看看位段S算出来的大小，然后再运行代码，看当前VS采用的是哪种方法

1. 使用剩余的那个比特位：此时我们的c应该占据如图空间：
   
      然后这种情况下我们来看看最后一个成员d，它占据4个比特位，刚好可以放下，如图：
   
      所以可以看到，在1这种情况下，位段S只需要2个字节来存储

2. 不使用剩余的那个比特位：此时c的存放应该是这样的：
   
   存放完c之后，我们来看看最后一个成员d，占4个比特位，很明显第二个字节已经不够用了，并且由于我们这种情况不会利用剩余的空间，所以还要继续开辟空间，这里d也是char，所以还是开辟一个字节的空间，然后把d放进去，如图：
   
   所以可以看到，在2这种情况下，位段S需要3个字节来存储

   最后我们来看看这个代码在VS上运行的结果，看看最后VS中是使用1的方法，还是2的方法，如图：

   我们得到了方法2的结果，说明VS中很可能就不会使用剩余的比特位，将它浪费掉，为了进一步验证我们的想法，我们可以对这个位段赋值，如下：

#include <stdio.h>struct S
{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};int main()
{struct S s = {0};s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;return 0;
}

   首先代码创建了一个位段s，将它初始化为了全0，如下：

   我们现在讲解时会把这些0暂时去掉方便观察，在最后如果有位置没有被修改，我们就重新把这些0画出来
   接下来就到给位段中的成员赋值了，我们将这些值按照刚刚方法2的思路放进去，然后通过调试查看内存中是否是这样存放
   现在我们开始存放这些数据，首先是存放a，10的二进制是1010，但是成员a只有3个比特位，所以会产生截断，最后变成010，将1截断了，我们来通过画图看看a现在是什么样子：

   接下来我们来看成员b，它存放的是12，对应的二进制是1100，因为b就是占用4个比特位，所以可以刚好存放完，如图：

   接下来我们来看c，它存放的是3，对应的二进制是11，由于c占用5个比特位，所以我们补0变成5位：00011，然后我们来看它的存储：

   最后来看d，它存放的是4，对应的二进制是100，由于d占用4位，所以补齐4位为：0100，然后我们来看看它的存储：

   由于我们最开始将位段s初始化为了0，也就是原本位段s中存储的是全0，而我们已经填写的位置就是在全0的基础上进行的修改，现在其它的位置没有受到影响，就还是初始化时的0，如下：

   由于调试中的内存窗口采用16进制显示，所以我们先把这三个字节的二进制转为十六进制，方法就是4位二进制转1位十六进制，如图：

   接下来我们在VS上调试这个代码，打开内存窗口，看看我们的想法和画的图是否正确，如下：

   可以看到最后内存中的结果和我们分析的一模一样，随后我们也可以得出最后的结论：VS中存放位段时，是从右往左存放，当空间不够时，会开辟新的空间，并且不会使用旧空间中的剩余比特位
   那么是不是所有编译器都是这样呢？这个就不一定了，因为这些都是C语言标准未规定的，我们在后面也会讲到

练习2

   这个练习就是我们开始讲位段的第一个例子，如下：

#include <stdio.h>struct A
{int a : 2;int b : 5;int c : 10;int d : 30;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct A));return 0;
}

   我们当时运行出来是8个字节，我们来看看它是怎么来的
   首先第一个成员a是整型，所以会首先开辟4个字节，然后我们就按从右往左的顺序将a放进去，如图：

   现在开始存放b，b是5个比特位，剩余位数够用，可以直接放进去，如图：

   然后就是存放我们的c，c占据10个比特位，也是可以直接放进去的，如图：

   现在就差最后一个成员d，它占据30个比特位，而现在只剩下了32-2-5-10=15个比特位，很明显不够用了，所以我们还要继续开辟一个整型空间来存放d，如图：

   所以最后VS算出来应该就是2个整型的大小，也就是8个字节，最后我们再来看一次代码运行结果：

三、位段的跨平台问题

   位段虽然很节省空间，但是它却存在很大的跨平台问题，可移植性很低，因为在C语言标准中，位段的很多东西是没有规定的，导致各种编译器在实现它的时候，采用了不同的方法，我们现在来看看具体它的问题在哪里：

1. int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的，也就是说可能在有的编译器是有符号数，有的是无符号数，那么在把int位段当作有符号数的编译器上写的代码，可能就不能在把int位段当作无符号数的编译器上运行，或者运行后有bug存在，等等问题
2. 位段中最⼤位的数⽬不能确定，因为32位机器的int是2个字节，也就是16个比特位，64位机器的int是4个字节，也就是32个比特位，如果把一个int位段成员写成27个比特位，那么它在32位上的机器就会出问题
3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，C语言标准没有定义，所以不同编译器就有不同的实现方法，而VS就是采用从右向左的方式，其它有的编译器可能就是从左向右分配空间，所以在不同编译器运行相同的位段结果也可能不同
4. 当⼀个结构包含两个位段，第⼆个位段成员比较，无法容纳于第⼀个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的，像VS就会舍弃那些剩余的位，直接使用新的空间

   所以综上4个理由，位段在使用的时候不一定能跨平台，也就是可移植性很低，但是相比于结构体，它能节省很多空间，我们继续学习就知道了

四、位段的应用

   位段的好处就是可以节省很多空间，它可以应用在对空间有严格要求的地方，我们现在举一个例子来进行说明：
   下图是⽹络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，如果使用整型就会浪费空间
   这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的

   可能有人会问，现在我们网络的速度非常快，并且电脑内存空间也非常大了，没有必要节省这么些空间吧？
   其实这是不太正确的，几个字节可能没有什么影响，但是由于网络上的数据量巨大，可能会有上亿个几个字节被浪费，并且这些空间会造成网络拥堵
   我们假设网络就是高速公路，而我们的ip数据包就是一辆辆的车，我们来比较一下它们不同大小的区别：

   很明显，当我们的ip数据包越大越容易造成网络拥堵，所以使用位段来节省这些空间是很有必要的，这就是位段的应用之一

五、位段使用的注意事项

   位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的，因为内存中的地址都是以字节为单位，⼀个字节内部的bit位是没有地址的
   所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员
   我们先来看错误示范：

#include <stdio.h>struct A
{int a : 2;int b : 5;int c : 10;int d : 30;
};int main()
{struct A sa = { 0 };scanf("%d", &sa.b);
}

   由于这里的b只占据了5个比特的空间，而地址都是以字节为单位的，所以这里的b并没有地址，使用&b就是错误的写法
   我们来看正确的写法：

#include <stdio.h>struct A
{int a : 2;int b : 5;int c : 10;int d : 30;
};int main()
{int b = 0;scanf("%d", &b);sa.b = b;return 0;
}

   这里我们重新创建了一个整型变量b，这个时候就可以对它取地址了，然后用户对b输入后，再录入我们位段的成员b，这样就可以使用位段存储用户输入的数据了

   结构体实现位段的全部内容我们都已经讲完了，可能有一点点难，只要多练习，自己去画画图，相信一定可以理解的，如果有什么问题欢迎提问
   那么今天的内容就到这里，bye~