【C语言】详解结构体（下）（位段）

news2024/9/22 5:42:39

文章目录

前言
1. 位段的含义
2. 位段的声明
3. 位段的内存分配（重点）
- 3.1 存储方向的问题
- 3.2 剩余空间利用的问题
4. 位段的跨平台问题
5. 位段的应用
6. 总结

前言

相信大部分的读者在学校或者在自学时结构体的知识时，可能很少会听到甚至就根本没有听过一个知识点，那就是位段。

本文就给大家揭开位段的神秘面纱。🎶💖💖

1. 位段的含义

位段中的“位”，指的是比特位(bit)。也就是说，我们可以通过位段指定变量所占内存空间的大小，而这个单位就是bit。

可能上面这么讲，你还是很疑惑。那我就举个例子：
假如我现在有个整型变量i,我知道它未来的赋值情况只可能是0，1，2，3这四个整数。那如果我们直接用4个字节去存储，未免有点浪费了。仔细再想一下，0，1，2，3，这四个数字，我有两个比特位就可以完整的表示出来了，没有必要用32个比特位。

那看到这里，有的读者读者就会说，位段这么好，那我是不是可以随意使用。答案我们在后面揭晓！

2. 位段的声明

位段的声明与结构体相类似。不过需要注意以下几点：

1.位段的成员必须得是int、unsigned int、signed int、char数据类型，在C99的标准中了可以是其他的数据类型。
2. 位段成员名后必须得有冒号和一个数字。

比如：

struct S
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

这个变量名有个下划线，不是硬性规定，大家可以按照自己的习惯来编写。
那么此时，S就是一个位段类型。

那在这里我们就得思考一个问题了，位段S所占内存空间的大小是多少？
这里我先给出结果，大家可以慢慢思考。
位段S的大小

3. 位段的内存分配（重点）

根据上面给出的结果，相信不少读者就会产生疑惑了。那接下来，我们就来聊一聊为什么会是这样的。

其实有个我上面讲过的知识点，可以作为我们寻求问题答案的突破口：

位段成员必须得是int、signed int、unsigned int 、char的数据类型。
位段的空间上是按照以4个字节（int）或者是1个字节（char）的方式来开辟的。
位段涉及到很多不确定的因素，位段是支持跨平台使用的，注重可以移植性的程序应该避免使用位段。

那接下我有一段代码，给大家讲一讲位段在内存中是如何开辟空间的。

#include<stdio.h>

struct S
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	//一个例子
	struct S s = { 0 };
	s._a = 10;
	s._b = 12;
	s._c = 3;
	s._d = 4;
	
	//空间是如何开辟的

	return 0;
}

3.1 存储方向的问题

位段在存储数据时，是先申请1个字节或4个字节的空间，等到这些字节空间放满时才会申请下一个字节（一样的大小）的空间。

提醒：本文以4个字节的大小来开辟内存。

这样就不得不思考一个问题，我们申请到的内存空间是从左边开始存放比特位呢？还是从右边开始呢？答案是：不确定。

那既然是不确定我们就假设从右边开始吧，请看图解

3.2 剩余空间利用的问题

当我们向内存存放到第四个变量_d时，发现剩下的空间不够存放_d了，此时编译器会再开辟一块4个字节大小的空间，用来继续存放剩余的成员。

可此时我们又得思考一个问题了，那就是之前还剩下一部分内存空间没有使用，是接着使用呢？还是直接在新开辟的内存区域中使用呢？答案是：不确定

那我们就假设从直接在新开辟的内存区域中存放数据。

根据编译器（以VS为例）读取数据的方式（每4个bit算作一个16进制数），我们可以猜到它在内存中存储的样子：
内存存储时的模样
那此时应该是：00 00 01 B2 00 00 00 04 （VS的采用的时小端存储模式）
存储情况
可以看到，我们的假设是成立的。在VS的环境下，确实是从申请空间的右边开始存放，并且当还有剩余的内存空间时，不会再继续使用，而是在新开辟的空间上使用。

讲到这里，相信你已经对位段的内存空间分配已经有了个清楚的认识。

4. 位段的跨平台问题

在上面我们讲了位段的不确定性，正是这些不确定性造成了位段的跨平台问题。

int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。
位段中最⼤位的数⽬不能确定。（16位机器最⼤16，32位机器最⼤32，写成27，在16位机器会出问题。
位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。
当⼀个结构包含两个位段，第⼆个位段成员⽐较⼤，⽆法容纳于第⼀个位段剩余的位时，是弃
剩余的位还是利⽤，这是不确定的。