C/C++位域结构深入解析

内存是以字节为单位进行编址的,编程语言的基本类型中,最小类型的长度一般也就是1个字节。然而,在解决某些问题时,必须要有二进制层面的表达手段(见本博客的自己动手实现DNS协议一文),又或者某些情形下根本用不着1个字节,作为强大到令人窒息的C/C++,难道没有解决方法?其提供的完美解决方法就是位域(位段)结构,本文将从定义、说明、内存布局和使用这四个方面对它进行详细的介绍。

1. 位域定义

首先,让我们看一下位域的定义。从定义中可以看出位域本质上其实就是结构体,只不过其成员都是按照特定长度的二进制位进行分配而已。

struct 位域结构体名
{
    位域列表;
};

其中,位域列表为: 类型说明符 位域名: 长度;  组成

例如:

struct BitField
{
    unsigned char a : 2; // 第一个位域,2位
    unsigned char b : 4; // 第二个,4位
    unsigned char c : 2; // 第三个,2位
};

2. 位域说明

其次,我们来看一下位域的一些说明:

1. 位域可以没有名字的,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

struct BitFiled_1
{
    unsigned a : 4;        
    unsigned :   0; // 无名位域, 无法使用
    unsigned b : 4;       
    unsigned c : 4;       
};

2. 宽度为 0 的一个未命名位域强制下一位域对齐到其下一type位域的边界

struct BitFiled_1
{
    unsigned a : 4; // 第一个unsigned int,占4Byte
    unsigned :   0; // 未命名位域
    unsigned b : 4; // 从第二个unsigned int的4Byte开始存放,占4位
    unsigned c : 4; // 还是第二个unsigned int中的4位
    // 该位域结构总共 8 Byte
};

3. 位域的长度不能大于其类型说明符中指定类型的固有长度,比如说int类型的位域长度不能超过32(bit),char的位域长度不能超过8(bit)

struct BitField_2
{
    int  a : 33; // 编译错误,C2034,BitField_2::a位域类型的位数太小, >32
    char b : 10; // 编译错误,C2034,BitField_2::b位域类型的位数太小, >8
};

3. 位域内存布局

位域有一个非常重要的用途就是压缩存储,即:能够用1个比特解决的问题,绝不用2个比特。因此,我们非常有必要研究一下其内存布局,这样才能对其压缩存储特性有深入的了解。

1. 整个位域结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍,这一点与常规结构体类型是一致的,从这里也可看出,位域本质上就是结构体;

2. 如果相邻位域字段的类型相同,且其声明的位宽长度之和小于类型的大小(sizeof获取的大小),则后面的位域字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;

// 假如 BitField_3::a = 0x11,(0001 0001 B); BitField_3::b = 0x2,(10 B); 
//     BitField_3::c = 0x35,(11 0101 B), 则有:
// 第一个4字节为:0001 0001 0000 0010 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节为:0011 0101 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
struct BitField_3
{
    int   a: 8;    // 第一个4Byte中的开始8bit
    int   b: 2;    // 由于相邻两个位域的类型相同,总大小10 < 32(int类型大小)
                   // 所以这里存储是挨着第一个4Byte,紧接着的2bit

    char  c: 6;    // 由于相邻的两个位域类型不同
                   // 所以这里是第二个4Byte
    // 总共8Byte
};

3. 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,则后面的位域字段将从新的存储单元开始,其起始偏移量为类型大小的整数倍;

// 假如 BitField_4::a = 0x1,(0001 B); BitField_4::b = 0x08676665
// 则有:第一个4字节:0000 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节:0x65 66 67 08(小端模式,高高低低,高字节存放在高地址)
struct BitField_4
{
    int a: 4;   // 第一个4字节

    int b: 29;  // 虽然相邻位域类型相同
                // 但是,4 + 29 > 32
                // 因此b位域从第二个4字节开始存储
    // 总共8字节
};

4. 如果相邻位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC采取不压缩方式

// 假如 BitField_5::a = 0x4, (0100 B); BitField_5::b = 0x5, (0101 B), 则有:
// 第一个4字节:0000 0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
// 第二个4字节:0000 0101 0000 0000 0000 0000 0000 0000(B)
struct BitField_5
{
    int  a : 4;  // 占据int的4字节中的4个bit
    char b : 4;  // 相邻字段类型不同,就算类型是char,也另起一个4字节
    // 总共8Byte,可见不但没有压缩,还浪费空间
};

5. 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;

// 假如 BitField_6::a = 0x4,(0100 B); BitField_6::b = 0x65, (0110 0101 B)
// BitField_6::c = 0x3,(0011 B), 则有:
// 第一个字节: 0000 0100 (B)
// 第二个字节: 0110 0101 (B)
// 第三个字节: 0000 0011 (B)
struct BitField_6
{
    char a: 4;  // 第1个字节
    char b;     // 第2个字节,非位域
    char c: 4;  // 第3个字节
};

注意:如果不是位域字段之间穿插着非位域字段,如下面这种情况,是进行压缩的:

// 以下为两个字节,可见进行了压缩存储
// 如果把 char a; 放到最后,只要不在中间,也是会压缩存储的
struct BitField_7
{
    char a;       // 第1个字节
    char b: 4;    // 第2个字节中的4位
    char c: 4;    // 第2个字节紧挨着的4位
};

6. 当使用有符号类型来定义位域,并且无意中使用到了正负(有意或者无意)特性时,就有问题了。

struct BitField_8
{
    char a : 2;
    char b : 3;
    char c : 3;
};

struct BitField_8 BF8;
    
// 位域赋值
BF8.a = 0x3;   // 11
BF8.b = 0x5;   // 101
BF8.c = 0x2;   // 010
    
printf("%d,%d,%d\n", BF8.a, BF8.b, BF8.c);

// OUTPUT:  -1(0xff, 1111 1111), -3(0xfd, 1111 1101), 2(0x02, 0000 0110)
// 可见,当为域的最高位是1的时候,会进行符号扩展,而且这也取决于编译器的实现
// 因此,为避免此类问题,最好使用无符号类型定义位域

// 如果把BitField_8中的char换成unsigned char就没有问题了,输出是3, 5, 2,

从其内存布局可以看出,使用位域的最佳实践是:第一,位域的类型要使用无符号类型,并且在整个结构体内部要保持一致;第二,位域的总长度尽量与类型的长度保持一致;第三,不要在两个位域中间穿插非位域字段;如下代码所示:

struct BitFieldDemo
{
    unsigned char a : 2;
    unsigned char b : 3;
    unsigned char c : 3;
};

4. 位域使用

使用以下代码,再结合调试器的内存查看功能,即可清晰的验证本文 位域内存布局 一节所阐述的内容。本文使用编译器和调试器是Windows下的Visual Studio。

// 取位域大小,字节单位
int nsize = sizeof(struct BitFieldDemo);

// 位域定义及其赋值
struct BitFieldDemo BFD;    /* or = {0x3, 0x5, 0x2}*/
BFD.a = 0x3;
BFD.b = 0x5;
BFD.c = 0x2;

printf("BFD.a = %d, BFD.b = %d, BFD.c = %d \n", BFD.a, BFD.b, BFD.c);

// 内存拷贝
char szBuffer[100] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789";

struct BitFieldDemo *pBFD = NULL;
pBFD = (struct BitFieldDemo *)malloc(sizeof(struct BitFieldDemo));
if (pBFD != NULL)
{
    memcpy(pBFD, szBuffer, sizeof(struct BitFieldDemo));

    printf("a = %d, b = %d, c = %d \n", pBFD->a, pBFD->b, pBFD->c);
    
    free(pBFD);
    pBFD = NULL;
}



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