程序员007 发表于 2021-10-20 17:03:36

C 位域的应用及操作


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  如果程序的结构中包含多个开关量,只有TRUE/FALSE变量,如下:

struct
{
unsigned int widthValidated;
unsigned int heightValidated;
} status;

  这种结构需要8字节的内存空间,但在实际上,在每个变量中,我们只存储0或1。在这种情况下,C语言提供了一种更好的利用内存空间的方式。如果您在结构内使用这样的变量,您可以定义变量的宽度来告诉编译器,您将只使用这些字节。例如,上面的结构可以重写成:

struct
{
unsigned int widthValidated : 1;
unsigned int heightValidated : 1;
} status;
  现在,上面的结构中,status变量将占用4个字节的内存空间,但是只有2位被用来存储值。如果您用了32个变量,每一个变量宽度为1位,那么status结构将使用4个字节,但只要您再多用一个变量,如果使用了33个变量,那么它将分配内存的下一段来存储第33个变量,这个时候就开始使用8个字节。让我们看看下面的实例来理解这个概念:

  实例

#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* 定义简单的结构 */
struct
{
unsigned int widthValidated;
unsigned int heightValidated;
} status1;

/* 定义位域结构 */
struct
{
unsigned int widthValidated : 1;
unsigned int heightValidated : 1;
} status2;

int main( )
{
   printf( "Memory size occupied by status1 : %d\n", sizeof(status1));
   printf( "Memory size occupied by status2 : %d\n", sizeof(status2));

   return 0;
}

  当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

Memory size occupied by status1 : 8
Memory size occupied by status2 : 4

  一、位域声明

  有些信息在存储时,并不需要占用一个完整的字节,而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时,只有0和1两种状态,用1位二进位即可。为了节省存储空间,并使处理简便,C语言又提供了一种数据结构,称为"位域"或"位段"。

  所谓"位域"是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域,并说明每个区域的位数。每个域有一个域名,允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

  典型的实例:

  用1位二进位存放一个开关量时,只有0和1两种状态。

  读取外部文件格式——可以读取非标准的文件格式。例如:9位的整数。

  二、位域的定义和位域变量的说明

  位域定义与结构定义相仿,其形式为:

struct 位域结构名
{

位域列表

};
  其中位域列表的形式为:

type : width ;

  带有预定义宽度的变量被称为位域。位域可以存储多于1位的数,例如,需要一个变量来存储从0到7的值,您可以定义一个宽度为3位的位域,如下:

struct
{
unsigned int age : 3;
} Age;

  上面的结构定义指示C编译器,age变量将只使用3位来存储这个值,如果您试图使用超过3位,则无法完成。

struct bs{
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
}data;

  data为bs变量,共占两个字节。其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。

  让我们再来看一个实例:

struct packed_struct {
unsigned int f1:1;
unsigned int f2:1;
unsigned int f3:1;
unsigned int f4:1;
unsigned int type:4;
unsigned int my_int:9;
} pack;

  在这里,packed_struct包含了6个成员:四个1位的标识符f1..f4、一个4位的type和一个9位的my_int。

  让我们来看下面的实例:

  实例

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct
{
unsigned int age : 3;
} Age;

int main( )
{
   Age.age = 4;
   printf( "Sizeof( Age ) : %d\n", sizeof(Age) );
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );

   Age.age = 7;
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );

   Age.age = 8; // 二进制表示为 1000 有四位,超出
   printf( "Age.age : %d\n", Age.age );

   return 0;
}
  当上面的代码被编译时,它会带有警告,当上面的代码被执行时,它会产生下列结果:

Sizeof( Age ) : 4
Age.age : 4
Age.age : 7
Age.age : 0

  对于位域的定义尚有以下几点说明:

  一个位域存储在同一个字节中,如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,则会从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如:

struct bs{
    unsigned a:4;
    unsigned:4;    /* 空域 */
    unsigned b:4;    /* 从下一单元开始存放 */
    unsigned c:4
}

  在这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。

  位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度,成员变量都是有类型的,这个类型限制了成员变量的最大长度,:后面的数字不能超过这个长度。

  位域可以是无名位域,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:

struct k{
    int a:1;
    int:2;    /* 该 2 位不能使用 */
    int b:3;
    int c:2;
};
  从以上分析可以看出,位域在本质上就是一种结构类型,不过其成员是按二进位分配的。

  三、位域的使用

  位域的使用和结构成员的使用相同,其一般形式为:

位域变量名.位域名
位域变量名->位域名

  位域允许用各种格式输出。

  请看下面的实例:

  实例

int main(){
    struct bs{
      unsigned a:1;
      unsigned b:3;
      unsigned c:4;
    } bit,*pbit;
    bit.a=1;    /* 给位域赋值(应注意赋值不能超过该位域的允许范围) */
    bit.b=7;    /* 给位域赋值(应注意赋值不能超过该位域的允许范围) */
    bit.c=15;    /* 给位域赋值(应注意赋值不能超过该位域的允许范围) */
    printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);    /* 以整型量格式输出三个域的内容 */
    pbit=&bit;    /* 把位域变量 bit 的地址送给指针变量 pbit */
    pbit->a=0;    /* 用指针方式给位域 a 重新赋值,赋为 0 */
    pbit->b&=3;    /* 使用了复合的位运算符 "&=",相当于:pbit->b=pbit->b&3,位域 b 中原有值为 7,与 3 作按位与运算的结果为 3(111&011=011,十进制值为 3) */
    pbit->c|=1;    /* 使用了复合位运算符"|=",相当于:pbit->c=pbit->c|1,其结果为 15 */
    printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);    /* 用指针方式输出了这三个域的值 */
}
  上例程序中定义了位域结构bs,三个位域为a、b、c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。
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