C语言位段(位域)机制结构体的特殊实现及解析

概念

什么是位段？

位段又称为位域，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员就叫做称为位段( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据达到节省空间的目的。

位段是结构体特有的，所以声明是和结构是类似的，但有两个不同：

1. 位段成员必须是 int ，unsigned int，signed int

2. 位段成员名后边结构包括一个冒号和整型数字

举个栗子：

struct haha
{
    unsigned int ch   : 8;    //8位
    unsigned int chh : 6;    //6位
    unsigned int chhh : 18;   //18位
};
struct haha dest;

内存分配

这里的 haha 就是一个位段的类型，这个神神秘秘的位段咱不常见，那么他的大小怎么算的呢？其实和结构体是一样的：

struct arr
{
int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct arr));
return 0;
}

这里 a：2什么意思呢？

成员 a 只占 2 个比特位，后面同理，既然这样，那我们总计 47 比特位，也就是 6 个字节 48 个比特位已经足够了，那为什么又是 8 呢？位段的内存分配到底是怎样的？

这里千万不要犯低级错误误认为他的大小就是 47 个比特位，和前一篇博客叙述原理相同，因为都是 int 类型，所有成员会向 int 看齐，int 是四字节，默认 8 字节，对齐数取 4 字节，a+b < 1字节，合并申请 1 字节空间，后面都需要独立申请空间，总计 1+2+4 = 7字节，结构体大小必须是最大对齐数整数倍，取 4 的整数倍就是 8，因此为 8 字节。

位段跨平台问题

我们细想刚刚这种机制，a，b，c，d 分别为 2,5,10,30 比特位，而我一个字节是 8 个比特位，假若在给 a 分配了 1 字节后，还剩 6 比特位，这 6 个位子我要不要让给二哥 b 成员来享用呢？==我是一字节一字节榨干资本还是出手阔绰安排"单人房"呢？==这里就有了歧义。

要知道位段在空间上是按照需要以四字节 int 或一字节 char 的方式来开辟空间，他涉及很多的不确定性因素，这就是为什么位段是不跨平台的，注重可移植性的程序应该避免使用位段。

有什么不确定因素呢，就好比我们刚刚提到的内存分配问题，这个问题连C语言标准都没有规定我到底该怎么利用，需要由具体的编译器环境决定，编译器环境又依赖于不同的平台比如 Linux 是 gcc 标准，VS则是 windows 标准。

我们要知道：

• 1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
• 2. 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）。
• 3. 位段中成员的内存从左到右分配还是从右向左分配标准尚未定义。
• 4. 当一个结构中包含两个位段时，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时，是应当舍弃还是利用，标准尚未定义。

作用

“ 这么个玄乎的玩意儿拿来干嘛啊 ”你可能会有这样的疑问

我们拿上面的情景来分析一手：

int a:2;
int b:5;
int c:10;
int d:30;

我们不分配位段时，需要 16 个字节，分配后只要 8 个字节，其实位段就是为了节省空间，充当个省流大师。

位段使用的前提条件就是某些细节需要非常明确，假如我成员 a 的取值只有四种状态：00，01，10，11，那我给 a 分配 2 个字节是不是就足够了，那我就给 2 个，我如果一上手啪叽就是一个 int 类型，32 个字节横空出世，这个节省的性价比可不低哦~

当然万事万物不可能十全十美，我帮你节省但总归会有一定浪费，这是不可避免的。总结一下就是位段跟结构相比，可以达到相同效果且可以有效节省空间，但存在跨平台问题存在。

Tip

注意，位段机制跟栈还扯不上关系，入栈的是数据的字节，位段是在这些字节的内部空间上发挥作用，已经细节到“位”了，以及之前提到的大小端模式，大小端是连续字节数据的存放模式，也细化不到字节上。

应用场景

位段在实际生活中也有广泛的应用，比如我们网络上数据包的格式：

这就是我们在互联网上向某个对象发送信息的原理，里面最大的问题就是这个包如果直接扔到网上去，就会像拖拉机上高速，铁铁的堵车造成网络拥挤，我们就会利用位段机制进行适当缩减以减小网络的负担。

今天就到这里吧，摸了家人们。