位段是结构体的另一种功能，有结构体的地方就能使用位段，位段能够准确分配变量所占大小，使用巧妙的话，可以节省很多空间，但是适用的变量类型只能是整型家族的，比如int 、char等类型。

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目录

一、位段的声明和初始化

1、位段的声明

2、位段的初始化

二、位段内存的开辟方式

1、声明阶段 

(1) 第一个成员

(2) 第二个成员

(3) 第三个成员

(4) 第四个成员

2、初始化阶段

(1) 第一个成员

 (2) 第二个成员

(3) 第三个成员

(4) 第四个成员

3、代码验证

三、位段的跨平台问题

1、int位段处理问题

2、位段最大bit位的问题

3、空间使用的顺序问题

4、位段空间开辟存在的问题

四、位段的应用

五、总结

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一、位段的声明和初始化

1、位段的声明

位段的声明如下：

struct 结构体名
{
    位段成员类型 位段成员名: 分配的内存大小 ;
}
 
//举例
struct S
{
    int a: 2;    //分配 2bit 的内存大小（2 bit是站在二进制的角度来分配的）
    int b: 5;    //分配 5bit 的内存大小（下同）
    int c: 3;
    int d: 4;
}

以成员 _a 为例，_a 是 int 类型，本该分配的是 4个字节(4 byte = 32 bit），但是实际上， _a 只需要 2 bit 就够了，为了节省空间，我们就通过位段声明只给 _a 分配了 2 bit。 

2、位段的初始化

位段初始化的方式和结构体是一样的，但是需要注意的是，每一个成员都分配了固定大小的内存，此时就会满足一个原则 “溢出就截短，不够就补全”。下面来解释一下。

以第一个成员为例，成员 a 被分配了 2 个bit，站在二进制的角度就是分配了 00，而初始化的时候，11 的二进制数是 1011，超出了2bit，因此实际分配给 a 的只有 11，高两位会被舍弃。

以第三个成员为例，成员 c 被分配了 3 bit，站在二进制的角度就是分配了 000，初始化的值为3，对应的二进制数为 11，少了一位，此时就需要在最开始补全一位，默认补 0。

//初始化
struct S s = {0};
s.a = 11;    //被截短，a 分配了2 bit，取值范围为 0~3
s.b = 12;
s.c = 3;     //要补全，c 分配了3 bit，取值范围为 0~7
s.d = 4;

二、位段内存的开辟方式

位段成员必须是属于整型家族类型，位段在内存上的开辟方式是以 4 个字节 或者 1个字节的方式来开辟的。根据成员类型判断，如果是int类型，那么就以4字节开辟；如果是char类型，则以1字节开辟。

以下面这个位段为例，我们通过逐个给位段成员分配空间来了解 位段开辟空间的方式。

1、声明阶段 

//声明
struct S
{
    char _a: 3;       //分配3bit
    char _b: 4;       //分配4bit
    char _c: 5;
    char _d: 4;
}

(1) 第一个成员

第一个成员是char类型，最开始开辟空间的时候，分配的是 1个字节（即8 bit），第一个成员被分配了 3 bit。这里的占据方式没有固定的标准，会随编译器的不同而不同。假设这里就从低位开始排。

(2) 第二个成员

第二个成员分配了4 bit，我们可以继续在 _a 的前面占据 4 bit。

(3) 第三个成员

第三个成员分配了 5bit，很显然，剩下的位置不够放了，这个时候 编译器就会再给我们 开辟 1个字节(8 bit)的空间，这就解释了最开始的那句话 “位段在内存上的开辟方式是以 4 个字节 或者 1个字节的方式来开辟的”，每当位置不够的时候，根据类型分配相应的空间。

新开辟的空间就往后排，既然上一段空间无法放下第三个成员，我们就把第三个成员放到新开辟的空间上。

(4) 第四个成员

第四个成员分配了 4bit，很显然，上一段空间又不够放了，所以我们舍弃剩余的空间，重新开辟一个新的空间，第四个成员是 char 类型就开辟 8 bit的空间，然后在新开辟的空间上占据 4 bit。

2、初始化阶段

初始化阶段需要注意最开始说的规则，溢出就阶段，缺少就补全。

//初始化
struct S s = {0};
s._a = 10;
s._b = 12;
s._c = 3;
s._d = 4;

(1) 第一个成员

第一个成员是 _a ，初始化的值是 10（对应的二进制数为1010），但是 _a 只分配了3bit，因此需要截短，保留低三位，舍弃最高位。

 (2) 第二个成员

第二个成员是 _b，初始化的值是 12（对应的二进制数为 1100），_b正好分配了 4bit，可以直接填进去。

(3) 第三个成员

第三个成员是 _c，初始化的值是 3（对应的二进制数为 11），_c分配了 5bit，需要补全三位，即变成00011。

(4) 第四个成员

第四个成员是 _d，初始化的值是4（对应的二进制数为 100），_d分配了4bit，补全一位变成 0100。

现在四个位段成员已经全部放置完，我们将上面这串二进制数四个为一组计算，因此位段成员在内存里的排列为 62 03 04

3、代码验证

//声明
struct S
{
    char _a : 3;       //分配3bit
    char _b : 4;       //分配4bit
    char _c : 5;
    char _d : 4;
};
 
int main() {
    //初始化
    struct S s = { 0 };
    s._a = 10;
    s._b = 12;
    s._c = 3;
    s._d = 4;
 
	return 0;
}

下面我们采用调试的方式来看一下内存里的排列方式，和我们上面逐步存放每一个成员的结果一样。

三、位段的跨平台问题

1、int位段处理问题

我们在最开始说过，位段必须是整型家族的一员，int作为整型家族的一员，是看作无符号整型还是有符号整型，这个并没有做出明确的规定。

2、位段最大bit位的问题

一个位段成员所分配的 bit数 是不能超过自身类型限制的bit数的，一个int类型占 4字节（32bit），此时你分配30bit是没有问题的。

==》如果放到早期的 16位机器上，16位机器上的int类型占 16bit，而我们的 _d 是30 bit，此时就会有问题；

==》如果放到 64 位机器却没有问题，因为64位机器上一个int类型 也是占 4字节(32 bit)，_d 的30bit没有超过32bit，所以没有问题。

struct S
{
    int _d: 30;
}

3、空间使用的顺序问题

我们在分配第一个成员 _a 的内存的时候，存在这么一个问题，我们分配的时候，是从左向右使用，还是从右向左使用？这个并没有给出明确的标准，但是从我们最后的结果来看，VS编译器选择的是从右向左使用。

4、位段空间开辟存在的问题

我们在给前两个成员开辟空间以后，第一个空间还剩下 1bit，但是无法容纳第三个成员，此时第三个成员是把第一个空间填满再放到新开辟的空间，还是直接全部放到新的空间，这个没有明确的规定。VS编译器选择的是直接全部放到新的空间。

四、位段的应用

最典型的应用就是 UDP数据包，我们在QQ、微信发送的消息在网络中不是裸奔的，而是以数据包的形式展现的。

网络传输就像是高速公路，车流量越小时就很通畅，车流量较大时就很堵，网络传输也是一样，一个端口号明明只要 16 bit，我们却整了个 32 bit，我们在传输的时候就要多传输16bit的无用信息，同时网络中可能会存在上万个数据包，每个都多出 16 bit，这很显然会降低网络的传输速度。

像下面的UDP数据包，如果你这样看着不是特别舒服，可以看第二张图，我们可以发现，没有任何一个bit被舍弃，反倒得到了充分使用。

五、总结

跟结构体相比，位段也能达到存放变量的效果，而且比结构体更节省空间，但是存在跨平台的问题。