三分钟让你学会使用位段

三分钟学会使用位段

位段知识点集合

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前言

  位段位段的声明和结构是类似的，但是也会有所不同，此篇文章将带你了解位段是什么已以及位段的使用和位段的特性。

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一、位段是什么？

位段的声明和结构是类似的，有两个不同
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
举例如下：

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

这个A就是一个位段。
但是结构体可以根据结构体内存对齐确定一个结构体的大小，但是位段的大小怎么确定呢？
位段A的大小是多少呢？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

我们利用sizeof操作符来测一下这个A位段的大小是8个字节
但是根据常理来说应该是16个字节呀，我们和结构体对比分析

struct s
{
    
    
    int a;
    int b;
    int c;
    int d;
    };
   int main()
   {
    
    
     printf("%d\n", sizeof(struct s));//16个字节
     return 0;
     }

对比发现位段不是根据他的数据类型来分配内存的。接下来我们看看位段是怎么分配内存的。

二、位段的内存分配

2.1位段内存分配的原则

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （属于整形家族）类型
2. 位段的空间上是按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟的。
3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。
   ps：虽然位段是不跨平台的，但是我们可以根据平台的不同编写不同的代码

struct A
{
    
    
    int _a:2;     //虽然a是int型但是他所分配的内存根据冒号之后的数字确定，a冒号后面是2，所以他只占用2个比特位
    int _b:5;    //同理，b成员只需要5个比特位
    int _c:10;    //10个比特位
    int _d:30;    //30个比特位
    };

  那么我们发现这个字段A一共需要47个比特位，好像6个字节就可以完成存储，但是事实并非如此，我们根据位段的内存分配原则，位段的成员是int类型所以按照需要以4个字节的方式开辟，我们先开辟4个字节的空间，即32个比特位，我们可以存储a，b，c但是存储d的时候发现内存不够了，我们再次按照需求再一次开辟4个字节的空间，最终开辟了8个字节的空间而非6个字节的空间来存储位段A。
  但是a，b，c存储之后还剩下15个比特位，这些比特位还用不用呢？
  答案是不确定的，每个编译器的处理方式都是不一样的，在VS环境下就浪费掉了，位段依旧有很多的不确定性。下面用图例理想表示一下在VS环境下位段的存储：
代码如下：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
struct S
{
    
    
  	char a : 3;    //a占3个比特位,以下同理
  	char b : 4;    
  	char c : 5;
  	char d : 4;
};

int main()
{
    
    
//printf("%d\n", sizeof(struct S));

	struct S s = {
    
     0 };
	s.a = 10;       // 赋值给位段的成员
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;

  return 0;
}

2.2位段内存分配图解

假设内存都是由低位向高位使用的，即从右向左使用：

我们将这3个字节的内存中都用0进行初始化：

struct S s = {
    
     0 };

三、位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
   int的最高位原本是符号位，但是int位段是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，写成27，在16位机器会出问题。
   （16位机器最大可以处理16位数据，寻址空间也只有16位，但是如果传入27位数据就会出问题）
   ps：int在16位操作系统下占2个字节。
3. 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。
   上图只是假设我们从右向左使用，但是分配表示尚未定义，所以也是不确定的。
4. 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，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。
   总结：
     跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
     牺牲了它的可移植性，但是节省了空间，可以根据需求选择。
     为什么说和结构相比，位段可以节省空间呢？
   代码如下（示例）：

struct A
{
    
    
    int _a:2;     //虽然a是int型但是他所分配的内存根据冒号之后的数字确定，a冒号后面是2，所以他只占用2个比特位
    int _b:5;    //同理，b成员只需要5个比特位
    int _c:10;    //10个比特位
    int _d:30;    //30个比特位
    };
    

  比如这个代码，假设a的取值只可能是0，1，2，3，如果用结构写的话会给a分配4个字节的空间也就是32个比特位，但是a最大需要的比特位是2位，所以会大大造成浪费，并且结构体还存在结构体内存对齐问题，牺牲了空间提高了时间效率。

四、位段的使用

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总结

  位段的介绍到此结束，总结一下就是位段相比较结构体节省了空间但是失去了可移植性，存在了跨平台的问题，我们可以根据自身的需求来选择是否使用位段，同时位段广泛使用在计算机网络方面，如果想变强就需要学会合理使用位段，加油 少年们！
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