2019年04月01日 | STM32 结构体位域操作 (int a:4)

1、什么是位域

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， 用一位二进位即可。

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。

位段成员必须声明为 int、unsigned int 或 signed int 类型（short char long）。

2、位域定义     

struct 位域结构名     

{ 

  位域列表

};

其中位域列表的形式为： 

类型说明符 位域名:位域长度     

例如：     

struct bs     

{     

int a:8;     

int b:2;     

int c:6;     

}; 

位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 

可采用先定义后说明，同时定义说明或者直接说明这三种方式。

例如：     

struct bs     

{     

int a:8;     

int b:2;     

int c:6;     

} data;   

说明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。

对于位域的定义尚有以下几点说明：     

1） 如果一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应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 :0 /*空域*/     

unsigned b:4 /*从下一单元开始存放*/     

unsigned c:4     

}     

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。     

2）位域的长度不能大于数据类型本身的长度，比如int类型就能超过32位二进位。

3）位域可以无位域名，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。     

3、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 位域允许用各种格式输出。     

struct bs     

{     

    unsigned a:1;     

    unsigned b:3;     

    unsigned c:4;     

} bit,*pbit;    

bit.a=1;     

bit.b=7; 

注意：位域的赋值不能超过该域所能表示的最大值，如b只有3位，能表示的最大数为7，若赋为8，就会出错   

bit.c=15;

printf("%d,%d,%d/n",bit.a,bit.b,bit.c);

pbit=&bit;

pbit->a=0;

pbit->b&=3;

pbit->c=1;

printf("%d,%d,%d/n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);

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。 

我们再来看看下面两个结构体定义：

struct foo2 {

char    a : 2;

char    b : 3;

char    c : 1;

};

struct foo3 {

char    a : 2;

char    b : 3;

char    c : 7;

};

我们来打印一下这两个结构体的大小，我们得到的结果是：

sizeof(struct foo2) = 1

sizeof(struct foo3) = 2

显然都不是我们期望的，如果按照正常的内存对齐规则， 这两个结构体大小均应该为3才对，那么问题出在哪了呢？

首先通过这种现象我们可以肯定的是：带有'位域'的结构体并不是按照每个域对齐的，而是将一些位域 成员'捆绑'在一起做对齐的。

以foo2为例，这个结构体中所有的成员都是char型的，而且三个位域占用的总空间为6 bit < 8 bit(1 byte)，这时编译器会将这三个成员'捆绑'在一起做对齐，并且以最小空间作代价，这就是为什么我们得到sizeof(struct foo2) = 1这样的结果的原因了。

再看看foo3这个结构体，同foo2一样，三个成员类型也都是char型，但是三个成员位域所占空间之和为9 bit > 8 bit(1 byte)，这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的，这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐，而c单独拿出来以char类型做对齐， 这样实际上在b和c之间出现了空隙，但这也是最节省空间的方法了。

我们再看一种结构体定义：

struct foo4 {

char    a : 2;

char    b : 3;

int c : 1;

};

在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte)，但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？

我们 打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为8，也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。

就是说不够一个类型的size时，将按其中最大的那个类型对齐，此处按int对齐。

C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，

允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：

1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++，GCC采取压缩方式；

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

struct s1 

{ 

int i: 8; 

int j: 4; 

int a: 3; 

double b; 

}; 

struct s2 

{ 

int i: 8; 

int j: 4; 

double b; 

int a:3; 

}; 

printf("sizeof(s1)= %d/n", sizeof(s1)); 

printf("sizeof(s2)= %d/n", sizeof(s2)); 

result: 16, 24 

第一个结构体中，i，j，a共占15个位，不足8个字节，按double 8字节对齐，共16字节

第二个结构体中，i，j共占12位，不足8字节，按8字节对齐，a也按8字节对齐，加上double共8+8+8=24个字节