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目錄

一、什么是位段？

二、位段的內(nèi)存分配?

三、位段的跨平臺(tái)問題

四、位段的應(yīng)用

五、代碼示例

六、位段的限制

七、位段與位域的區(qū)別

八、總結(jié)

共勉

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一、什么是位段？

位段（Bit field）是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它允許你在單個(gè)整數(shù)變量中分配特定數(shù)量的位給不同的字段。這樣做的目的是為了節(jié)省內(nèi)存空間。

1. 位段（Bit field）的基本單位不是字節(jié)，而是位（bit）。位段是在單個(gè)整數(shù)類型變量中按照位來分配存儲(chǔ)空間的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
2. 位段的聲明和結(jié)構(gòu)是類似的，有兩個(gè)不同：

• 位段的成員必須是 int、unsigned int 或signed int 。
• 位段的成員名后邊有一個(gè)冒號(hào)和一個(gè)數(shù)字。

一個(gè)位段由多個(gè)成員組成，每個(gè)成員都有自己的名稱和寬度（即占用的位數(shù)）。例如：

舉個(gè)例子，假設(shè)你需要存儲(chǔ)三個(gè)設(shè)置選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)只需要一兩位來表示開啟或關(guān)閉的狀態(tài)。
如果用普通的整數(shù)變量來存儲(chǔ)這些選項(xiàng)，每個(gè)整數(shù)至少會(huì)占用32位（如果是32位系統(tǒng)的話）。
但如果使用位段，你就可以只用三位來表示這三個(gè)選項(xiàng)，大大節(jié)省了空間。struct Settings {unsigned int option1 : 1;  // 占用1位unsigned int option2 : 1;  // 占用1位unsigned int option3 : 1;  // 占用1位
};

二、位段的內(nèi)存分配?

• 位段的成員可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （屬于整形家族）類型
• 位段的空間上是按照需要以4個(gè)字節(jié)（ int ）或者1個(gè)字節(jié)（ char ）的方式來開辟的。
• 位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺(tái)的，注重可移植的程序應(yīng)該避免使用位段。

Settings 就是一個(gè)位段類型,?那位段 Settings?的大小是多少？一起來看看：

請(qǐng)注意

雖然位段是以位為單位，但實(shí)際存儲(chǔ)這些位段的變量的大小通常是以字節(jié)為單位的。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)存是以字節(jié)為基本單元進(jìn)行尋址的。例如，即使你的位段結(jié)構(gòu)體只占用了8位（即1字節(jié)），由于內(nèi)存對(duì)齊的要求，實(shí)際的結(jié)構(gòu)體大小可能仍然是4字節(jié)。

總結(jié)一下：

• 位段的基本單位：位（bit）
• 位段存儲(chǔ)的單位：字節(jié)（byte），但位段本身按位分配空間
• 實(shí)際結(jié)構(gòu)體的大小：通常以字節(jié)為單位，取決于編譯器的內(nèi)存對(duì)齊策略。

再看看這個(gè)：

#include <stdio.h>
struct A
{char _a : 3;char _b : 4;char _c : 5;char _d : 4;
};
int main()
{struct A a = {0};a._a = 10;a._b = 12;a._c = 3;a._d = 4;return 0;
}

假設(shè)：位段分配的內(nèi)存中的比特位是從右向左使用的，分配剩余的bit位不夠使用時(shí)，浪費(fèi)掉剩余內(nèi)存。則：

執(zhí)行程序：a._a = 10;?10的二進(jìn)制為1010，放入_a中，由于_a只有3bit，需要截?cái)?#xff0c;所以舍棄最高位1，放入010：

執(zhí)行程序：a._b = 12;,12的二進(jìn)制為1100，剛好可以放入，如下圖：

執(zhí)行程序：a._c = 3;，3的二進(jìn)制為11，由于_c有5bit，高位添0，放入00011，如下圖：

執(zhí)行程序：a._d = 4;，4的二進(jìn)制為100,放入0100，如下圖：

程序就基本執(zhí)行完了，那么內(nèi)存中是什么樣的呢？根據(jù)上面分析，我們一開始給結(jié)構(gòu)體初始化為0，我們可以得到：

也就是：?

由于機(jī)器是小端存儲(chǔ)，所以內(nèi)存上應(yīng)該是：62 03 04.
經(jīng)過調(diào)試，可以看到：

所以，位段的大小計(jì)算主要取決于你如何定義它以及編譯器的具體實(shí)現(xiàn)。

struct BitField {unsigned int a: 3; // 占用3位unsigned int b: 5; // 占用5位unsigned int c: 1; // 占用1位
};
這里a占用了3位，b占用了5位，而c占用了1位。
理論上，這些位可以緊密排列在一起，但是實(shí)際的內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則可能會(huì)導(dǎo)致額外的空間被分配。a、b和c總共占用了9位。
如果使用32位的整數(shù)類型，則最終的位段結(jié)構(gòu)可能會(huì)占用完整的32位，盡管實(shí)際上只使用了9位。所以，你可以使用sizeof運(yùn)算符來確定位段的實(shí)際大小：
#include <stdio.h>int main() {struct BitField bitField;printf("Size of BitField: %zu bytes\n", sizeof(bitField));return 0;
}

要計(jì)算位段的實(shí)際大小，你需要考慮以下幾點(diǎn)：

• 位的總和：計(jì)算所有成員位數(shù)之和。
• 字邊界對(duì)齊：大多數(shù)編譯器會(huì)按照字邊界對(duì)齊原則來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這意味著即使位數(shù)總和小于一個(gè)字的基本單位（通常是8位或更常見的是32位），也會(huì)向上取整到下一個(gè)字的大小。
• 編譯器特定行為：不同的編譯器可能有不同的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，包括如何處理跨越字邊界的位字段。

三、位段的跨平臺(tái)問題

跟結(jié)構(gòu)相比，位段可以達(dá)到同樣的效果，但是可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺(tái)的問題存在。簡(jiǎn)略一點(diǎn)看：

• int 位段被當(dāng)成有符號(hào)數(shù)還是無符號(hào)數(shù)是不確定的。
• 位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機(jī)器最大16，32位機(jī)器最大32，寫成27，在16位機(jī)器會(huì)出問題。
• 位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義。
• 當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)位段，第二個(gè)位段成員比較大，無法容納于第一個(gè)位段剩余的位時(shí)，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的

詳細(xì)的看：

1. 位字段的順序：在某些平臺(tái)上，位字段的順序可能會(huì)影響其布局。例如，在一些系統(tǒng)中，位字段是從低到高排列的（從右到左），而在其他系統(tǒng)中則可能是從高到低排列的（從左到右）。

2. 位字段的對(duì)齊：編譯器可能會(huì)根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)的內(nèi)存對(duì)齊要求來對(duì)位字段進(jìn)行對(duì)齊，這意味著位字段的實(shí)際布局可能會(huì)與預(yù)期不同。例如，在某些架構(gòu)上，整數(shù)類型可能需要在特定的地址對(duì)齊（如4字節(jié)邊界），這可能導(dǎo)致額外的空間被插入到位字段之間或之后。

3. 位字段的大小：不同的編譯器可能會(huì)有不同的默認(rèn)整數(shù)類型大小。例如，int?類型在某些系統(tǒng)上可能是32位，在另一些系統(tǒng)上可能是64位。這會(huì)影響位字段的最大容量和布局。

4. 位字段的填充：為了滿足內(nèi)存對(duì)齊的要求，編譯器可能會(huì)在位字段之間添加填充位。例如，如果一個(gè)位字段在32位邊界結(jié)束，而下一個(gè)位字段需要從新的32位邊界開始，則編譯器可能會(huì)在它們之間插入未使用的位。

5. 位字段的訪問：位字段的讀寫操作在不同的編譯器和平臺(tái)上可能會(huì)有所不同。有些編譯器提供特定的操作符來訪問位字段，而其他編譯器可能需要使用位操作（如位移和按位與操作）來訪問位字段。

為了避免位字段的跨平臺(tái)問題，你可以采取以下措施：

• 明確指定整數(shù)類型：使用?<stdint.h>?中定義的固定寬度整數(shù)類型（如?uint8_t,?uint16_t,?uint32_t?等），以確保位字段的大小在所有平臺(tái)上都是一致的。
• 手動(dòng)管理對(duì)齊：如果需要嚴(yán)格的對(duì)齊控制，可以考慮手動(dòng)在結(jié)構(gòu)體中添加填充字段。
• 避免依賴于位字段的特定布局：如果程序邏輯依賴于位字段的具體布局，那么在不同的平臺(tái)上測(cè)試并驗(yàn)證行為是很重要的。
• 使用位操作：使用位操作（如位移、按位與等）來訪問位字段，這樣可以確保代碼在不同平臺(tái)上的一致性。

四、位段的應(yīng)用

位段（Bit field）在計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程中有多種應(yīng)用，特別是在需要高效存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)的情況下。通常用于處理那些只需要少量位的數(shù)據(jù)，比如狀態(tài)標(biāo)志、計(jì)數(shù)器等。通過使用位段，我們可以更有效地利用內(nèi)存資源。?

此外，位段還可以用來模擬位數(shù)組。例如，如果我們想要表示一個(gè)有 8 個(gè)元素的布爾數(shù)組，可以使用一個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)這個(gè)數(shù)組的所有元素：

struct {bool arr[8] : 1; // 每個(gè)元素占用1位
} bit_array;
這樣，我們就用一個(gè)字節(jié)的空間實(shí)現(xiàn)了布爾數(shù)組的功能。

五、代碼示例

下面是一些使用位段的例子：
// 示例1：定義一個(gè)表示顏色的位段
struct color {unsigned char red   : 5; // 紅色部分占用5位unsigned char green : 6; // 綠色部分占用6位unsigned char blue  : 5; // 藍(lán)色部分占用5位
};// 示例2：定義一個(gè)表示時(shí)間的位段
struct time {unsigned short hour   : 5; // 小時(shí)部分占用5位unsigned short minute : 6; // 分鐘部分占用6位unsigned short second : 5; // 秒鐘部分占用5位
};

當(dāng)我們聲明一個(gè)位段結(jié)構(gòu)體變量時(shí)，我們可以同時(shí)初始化所有成員的值。例如：
struct color my_color = { .red = 0x1f, .green = 0x3f, .blue = 0x1f }; // 初始化顏色位段變量
struct time my_time = { .hour = 12, .minute = 30, .second = 0 };     // 初始化時(shí)間位段變量

六、位段的限制

雖然位段可以節(jié)省內(nèi)存空間，但它也有一些限制：

• 位段不能包含浮點(diǎn)數(shù)成員。
• 位段不能包含字符串成員。
• 位段不能包含結(jié)構(gòu)體成員。
• 位段不能包含聯(lián)合體成員。

七、位段與位域的區(qū)別

位段和位域都是用來表示二進(jìn)制位的結(jié)構(gòu)體類型，但它們有一些區(qū)別：

• 位段可以包含多個(gè)成員，而位域只有一個(gè)成員。
• 位段的成員可以有不同的寬度，而位域的成員必須具有相同的寬度。
• 位段的成員可以跨越字邊界，而位域的成員不能跨越字邊界。

八、總結(jié)

位段是 C 語(yǔ)言提供的一種非常有用的工具，可以幫助我們更高效地管理內(nèi)存。但是，由于其跨平臺(tái)性的問題，我們?cè)谑褂梦欢螘r(shí)也需要謹(jǐn)慎考慮。

共勉