【自定义类型详解】第二篇——结构体实现位段

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前言

上一篇文章，我们一起学习了结构体，那学完了结构体，就一定得讲讲结构体实现位段的能力。
这篇文章，我们再来一起学习一个新知识——位段。
一起来学习吧！！！

1.什么是位段

首先，我们一起来了解一下什么是位段。

位段，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称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

位段和结构体其实是非常相似的，但是有两个不同点：

1. 位段的成员必须是

   char、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。

举个例子：

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

A就是一个位段类型。

那里面的冒号和数字又表示什么呢？

首先我们要明白位段中的这个“位”字其实指的是二进制位。
我们知道一个二进制位就是1个比特位。
所以，A中

int _a : 2;

其实表示的就是
_a的大小是2

bit

;
同理：
_b的大小是5

bit

_c的大小是10

bit

_d的大小是30

bit

那我们再来思考一个问题：

位段A的大小应该是多少呢？
是30+10+5+2=47个bit吗，但我们知道sizeof计算出来的是字节数啊，所以会给它分配6个字节=48个比特位吗。

我们验证一下：

是8个字节哎，为什么呢？
别着急，我们接着往下看。

2.位段的内存分配

我们已经知道：

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。

那位段所需要的空间是怎么来开辟的呢？

位段的空间上是按照需要以每次4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟的。

什么意思呢，解释一下：

就是说，如果位段的成员全部是整型的（位段成员一般都是同类型的），那上去就先给这个位段开辟4个字节的空间，如果不够用，放不下所有的成员，那就再开辟4个字节的空间，还不够用，继续开辟，以此类推。
如果成员全部是char类型的，那就一次开辟1个字节的空间，直至放得下所有成员。

好，那我想现在大家就明白为什么上面位段struct A的大小是8个字节了。

由于A的成员都是整型（int ），所以一次给A分配4个字节。
4个字节是32给比特位，A的前3个成员_a、_b、_c占了17个bit，32-17还剩15bit，但是A的第四个成员_d大小是30bit，而15<30不够。
怎么办？
再分配4个字节，这下就能放下_d，因此，struct A的大小是4+4=8个字节。

那现在又有一个问题：
对于刚才讨论过的struct A来说，上来先给它分配了4个字节及32比特位，前3个成员占了17个bit，32-17还剩15bit，然后这15bit留给第四个成员_d不够用，所以又开辟4个字节。

那这15bit以及新开辟的4个字节的空间是怎样给第四个成员_d分配的，有两种情况：

1. _d的大小是30bit，它先使用了前面剩下的15bit，然后又使用了新开辟的4个字节中的15bit。
2. 前面剩下的15bit，就直接浪费掉不用了，_d直接使用新开辟的4个字节中的30个bit。

那到底采用的是哪种呢？其实C语言的语法也并没有做出明确的规定：

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。

3.验证vs环境下位段成员如何分配内存空间

虽然是不确定的，但是我们可以来验证一下，在我们当前使用的环境（vs2022)下，位段开辟的空间是怎么分配给每个成员的。
接下来，我们就通过一个实例来探究一下：

structS{char a :3;char b :4;char c :5;char d :4;};intmain(){structS s1 ={0};return0;}

我们先来思考一下，s1 的大小是多少，并猜测一下这些空间是如何分配给每个成员的。

s1 的每个成员都是char类型的，所以应该每次开辟1个字节。

1. 首先分配的一个字节8个比特位，是可以放得下a，b的，我们假设是这样放的：

1. 再放c的话，只剩1个比特位，就不够了，所以需要再开辟1个字节的空间，那剩下的这1个比特位用不用呢，反正是不确定的，这里我们就假设再vs上不再使用剩下的这1个比特位了。

3.那接着就要再开辟一个字节，因为还有一个成员

那vs环境下的位段变量s1的大小会是3个字节吗？
我们验证一下：

确实是3，证明我们的猜测大致是正确的。
接下来，我们再来进一步的验证一下：

intmain(){structS s1 ={0};
    s1.a =10; 
    s1.b =12; 
    s1.c =3; 
    s1.d =4;printf("%d",sizeof(s1));return0;}

我们先把位段变量s1 的成员都赋值为0，然后给他们重新赋一个非0值，最后，我们借助编译器观察一下，各个成员再内存中的存放是不是跟我们上面分析的一样。

现在我们通过编译器观察一下：

结果验证了在vs上位段的内存分配就是这样搞得，那在其它的平台上是不是也是这样呢？

不是的，前面已经提到了，这是不确定的，是标准未定义，在其他编译器上，可能结果就不一定是这样了。
位段是不跨平台的。

4.位段的跨平台问题

上面我们提到位段是不跨平台的，那接下来我们就来讨论讨论位段的跨平台问题。

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
   什么意思呢，解释一下：

我们还能上面的代码来说

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

位段A的成员都是

int 

类型的，但是我们这样直接给一个

int 

，它**到底会被当成有符号

int 

还是无符号

int 

是不确定的**。

1. 位段中最大位的数目不能确定。
   什么意思呢，再把上面的代码拿过来：

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

这里面成员_d给的大小是30比特位。
但是在16位的机器上，int 类型的大小是2个字节=16个比特位，即在16位的机器上最大的位数才16位。
那如果我们把

int _d:30;

的代码放在16位机器上，是不是就出错了啊。

1. 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。
   再来看一张上面用过的图：
   

我们当时为什么这样放，是不是我们假设的啊，我们假设位段的成员再内存中是从右向左分配的。
为什么假设，因为这时标准未定义的，在不同的平台上可能就是不一样的。

1. 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
   这个问题我们其实在上面也已经提到过了，再来看一张上面用过的图：
   

这张图上，当剩余的空间无法容纳后面的位段成员时，我们就是把剩余的空间舍弃了，去使用新开辟的空间来放后面的成员，而在vs上也就是这样做的。
当然它也是不确定的，在不同平台可能不同。

总结

跟结构体相比，有时候位段可以达到和结构体同样的效果，而且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

structA//位段{int _a :2;int _b :5;int _c :10;int _d :30;};structB//结构体{int a;int b;int c;int d;};intmain(){printf("%d\n",sizeof(structB));printf("%d\n",sizeof(structA));return0;}

比较一下它们的大小：

以上内容就是对结构体实现位段的一个讲解，欢迎大家指正！！！