聊一聊C语言位域/位段

在做嵌入式开发的时候，我们经常会遇到这样的代码：

struct { unsigned int widthValidated : 1; unsigned int heightValidated : 1; } status;

这样定义结构体变量是什么意思呢？

主要原因是：有些信息在存储时，只需占几个或一个二进制位(bit)，并不需要占用一个完整的字节。例如，在存放一个开关量时，只有0和1两种状态，用一位二进位即可。为了节省存储空间，并使处理简便，Ｃ语言提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。

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。

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 [member_name] : width ;

下面是有关位域中变量元素的描述：

位域的使用和结构体成员的使用相同，其一般形式为：

位域变量名.位域名 位域变量名->位域名

位域最大的作用就是节省存储空间，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。例如以下案例：

```

/* 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; } ```

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

结构体status1是由正常的两个unsigned int类型变量组成，占用内存是8字节，结构体status2也是unsigned int类型变量，但是它仅使用了一个unsigned int类型内存的前2bit，实际上还有30bit没使用，所以占用内存是4字节。

对于位域的定义有以下几点说明：

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。

struct k{ int a:1; int :2; /* 该 2 位不能使用 */ int b:3; int c:2; };

```

int main(){ struct bs{ unsigned m: 6; unsigned n: 12; unsigned p: 4; };

} ```

运行结果：

4

m、n、p 的类型都是 unsigned int，sizeof 的结果为 4 个字节(Byte)，也即 32 个位(Bit)。m、n、p 的位宽之和为 6+12+4 = 22，小于 32，所以它们会挨着存储，中间没有缝隙。

```

int main(){ struct bs{ unsigned m: 12; unsigned char ch: 4; unsigned p: 4; };

} ```

在 GCC 下的运行结果为 4，三个成员挨着存储；在 VC/VS 下的运行结果为 12，三个成员按照各自的类型存储(与不指定位宽时的存储方式相同)。

struct bs{ unsigned m: 12; unsigned ch; unsigned p: 4; };

在各个编译器下 sizeof 的结果都是 12。

注意：位域成员往往不占用完整的字节，有时候也不处于字节的开头位置，因此使用&获取位域成员的地址是没有意义的，C语言也禁止这样做。地址是字节(Byte)的编号，而不是位(bit)的编号。 

通过一个示例，加深对位域的理解和应用：

```

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

当执行到Age.age = 8;时，二进制表示为：1000 有四位，超出位域，所以会提示警告。