位段——（详细图解，保姆宗师级教程，包会，从基础概念到精通实战应用）

news2024/11/15 21:34:35

位段——大项目中结构体节省空间之手段

学习目标：

位段是什么
位段的内存分配
位段的平台局限性和应用

学习内容：

1.位段是什么

C++中的位段（Bit fields）是一种用于有效利用内存的特性，可以在结构体中定义成员变量的位数。它允许我们将多个成员变量打包到同一个内存单元中，从而节省内存空间。
在这里插入图片描述

通过位段，我们可以指定结构体成员变量的位数，以及它们在内存中的存储顺序。比如，假设我们想要定义一个结构体来表示一个日期，其中包括年、月、日。在不使用位段的情况下，每个成员变量通常都会占用一个整型（比如int）的大小，即4个字节。但是如果我们知道年份的范围在0到99之间，月份在1到12之间，日期在1到31之间，那么我们可以使用位段来减小结构体的大小。

struct Date {
  unsigned int year : 7;   // 使用7位存储年份（0-99）
  unsigned int month : 4;  // 使用4位存储月份（1-12）
  unsigned int day : 5;    // 使用5位存储日期（1-31）
};

int main() {
  Date d;
  d.year = 21;   // 存储的二进制为 010101，对应十进制为 21
  d.month = 10;  // 存储的二进制为 1010，对应十进制为 10
  d.day = 18;    // 存储的二进制为 10010，对应十进制为 18

  // 输出结果
  std::cout << "Year: " << d.year << std::endl;
  std::cout << "Month: " << d.month << std::endl;
  std::cout << "Day: " << d.day << std::endl;
  std::cout<<sizeof(Data)<<std::endl;
  return 0;
}

通过使用位段，我们可以将年份、月份和日期分别存储在一个字节内，总共只需要4个字节。这样可以有效地减小内存占用，但需要注意的是，位字段的位数必须小于或等于其所属成员变量类型大小的位数。此外，位字段还受限于平台和编译器的限制，对于不同的系统和编译器，行为可能会有所不同，因此在使用位段时要小心考虑跨平台和可移植性的问题。

（不同编译器不同，VS2022是4个字节，也有些是3个字节）

2.位段的内存分配——泾渭分明，军阀规定地盘

在这里插入图片描述

举个例子，刚刚开始是a:3个比特，b：4个比特,c：5个比特，d：4个比特。

出庄，论功行赏，多劳多得
a 出3，b出4，c出5，d出4

abcd四个人规划地盘（绿色空间），划分好了就互不侵犯了。

什么意思？几个意思?我来告诉你——一个开始不是开了三个的绿色的空间）吗？
（一个char型1字节，8比特位）
因为人家a是先定义声明的并且规定3个比特，意思是a先占据了第一个绿色空间的后3个位，后三个0的空间是他的。

然后b来了，因为你第一个绿色空间还有5个比特位，而且你b只需要4位，所以b必须要占第一个绿色空间的4-7位。那么c来了之后他需要5个比特位，怎么办?第一个绿色空间只剩下了一个比特位，所以c必须去第二个绿色空间后5位。最后按规则d去了第三个绿色空间后四位。

abcd入驻军队，如果前面人数不够就补0

最后规定好自己的领地之后互不侵犯，赋值的时候先把全部变量搞成0，再把10赋值给a,因为10的二进制01010——但是你只有3个位置，所以你只能拿后三位010放进去
b=12的(二进制01100)——位置够可以放进去（位数不够就可以前面可以补0，这个无伤大雅，二进制前面补0只要不超过32位，不改变符号位都无所谓的）。c和d以此类推。

> 最终二进制化为十六进制——十六进制（书面显示更紧凑）

拓展——十六进制好处
十六进制在计算机中的处理更加高效。一方面，内存地址在计算机中通常采用字节（8个比特）为单位，而十六进制正好可以充分利用每个字节的8个比特，因为每个十六进制位对应4个比特。另一方面，在二进制和十六进制之间进行转换的计算也相对简单和高效，可以通过位移和逻辑运算等操作来实现

3.位段跨平台的局限性和应用

在这里插入图片描述

C++位段（Bit fields）可以用于在结构体或类中定义成员变量的位数，从而节省内存空间，并且可以更高效地处理特定的位操作。下面是一些C++位段的应用举例：

1.压缩数据结构：

用于存储非常数范围的数据，但是数据范围相对较小且可预测的情况。例如，可以使用位段来存储标志位、状态值或记录控制信息，从而减小数据结构的占用空间。

struct FlagBits {
  unsigned int isVisible : 1;  // 1位用于表示是否可见
  unsigned int isEditable : 1;  // 1位用于表示是否可编辑
  unsigned int isSelectable : 1;  // 1位用于表示是否可选择
  // 其他成员...
};

2.位操作和通信协议：

位段可以用于与底层硬件通信时，对数据进行位操作或者解析通信协议中的标识位。例如，可以使用位段来定义特定的位字段，以便对数据进行按位操作和提取。

struct Message {
  unsigned int messageType : 4;  // 4位用于表示消息类型
  unsigned int payload : 8;  // 8位用于表示有效载荷数据
  // 其他成员...
};

3原始数据序列化：

位段可以用于将数据序列化为二进制，并且可以更加紧凑地表示数据。例如，可以使用位段将结构体中的各个字段压缩为指定的位数，然后将其传输或存储。

struct SensorData {
  float temperature;  // 温度
  float humidity;  // 湿度
  unsigned int pressure : 14;  // 14位用于表示压力值（范围在0-16383）
  unsigned int status : 2;  // 2位用于表示状态信息
  // 其他成员...
};