结构体的简单介绍（4）——位段

目录

位段的概念：

位段的内存分配：

问题1：当开辟了内存后，内存中每个比特位从右向左使用?还是从左向右使用? 这个不确定。

问题2：当前面时候，剩余的空间不足下一个成员使用的时候，剩余的空间是否使用？这个不确定。

探究VS中的位段内存分布情况： 

总结图：

位段的跨平台问题：

注意事项：

热知识：

问题返回：

让我们返回最开始的例子：

经典例题：

解析：

图解：

注意：

---

位段的概念：

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 ，在C99中位段成员的类型也可以 选择其他类型。
2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。 

比如：

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

以上代码分别是位段和结构体的对比，可以看出位段其实是基于结构体的。

位段的目的：

位段的出现,是为了节省空间的，而且位段中的位其实是比特位，或者说是二进制位。

比如：

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

上一串代码中，int_a:2; 中的2其实是表示两个比特位，也就是两位二进制。

而整个两个比特位的本质是：当我们给一个变量赋值时，这个数值在32位比特位中其实只需要两个比特位就能表达这个值是谁，例如我们本来是要给a赋值1，但1的二进制表达是01，只需要两个比特位就能表达1，而剩下的32位就会被浪费，造成空间的损失。

 以此类推，其他成员分别占据，5个比特位，10个比特位，30个比特位。

因为位段的目的是节省空间，所以整个位段的字节大小应该就是2+5+10+30=47个比特位。

按照一个字节等于八个比特位的运算原理，我们可以得到差不多6个字节。

和同样类型的成员，但并不是位段的结构体进行对比：

struct A
{
 int _a;
 int _b;
 int _c;
 int _d;
};

根据结构体的对齐规则，以上结构体需要在内存中占据16个字节，和位段相比起来，位段确实是节约了空间。

但是，位段真的如我们所算计的一样，是所有比特位相加而后在进行比特位和字节的换算吗？

答案并不是。

我们先后求以上两个代码，得到以下结果：

 没错，位段其实实际上所占据的字节是八个！

这里涉及了位段的内存分配问题。

位段的内存分配：

分配规则：

1. 位段的成员可以是int unsigned int signed int 或者是char 等类型
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。

从规则得知，位段是根据成员的变量来进行开辟空间的，而不是将所有的比特位放置一个空间内，是先开辟对应类型的空间后再放置内容。

但是开辟空间后也会产生一系列的问题，这也是位段的不确定因素的原因。

问题1：当开辟了内存后，内存中每个比特位从右向左使用?还是从左向右使用? 这个不确定。

例如：

struct S
{
 char _a:3;
 char _b:4;
 char _c:5;
 char _d:4;
};

因为是char类型，占据一个字节，也就是八个比特位，所以我们率先开辟八个比特位空间。

那么问题来了，变量a是只能放置三个比特位再这一个字节中，但我们是从空间的右边往左边放，还是从字节的左边往右边放？

如果，从空间的右边往左边放，分别放了a（三个比特位）和b（四个比特位），那么剩下的那一个比特位（一个字节一共八个比特位），是否需要放置下一个变量的比特位？

问题2：当前面时候，剩余的空间不足下一个成员使用的时候，剩余的空间是否使用？这个不确定。

若我们下一个变量c（五个比特位）在开辟一个空间进行放置，后面的变量d（四个比特位）也是如此 ，（c所占据的字节中还剩下三个比特位，不够d所有的比特位）

那么这里一共就占据了三个字节，但答案真的是如此吗？

答案真是如此，就占据了三个字节。

所以我们得到了位段再VS编译器中，就是如此分配内存的！ ——注！仅仅是VS编译器。 

同时我们也得到结论：位段其实也会浪费空间，但是相比于普通结构体而言，浪费的更少。

普通结构体：一共占据了四个字节。

struct S
{
 char _a;
 char _b;
 char _c;
 char _d;
};

所以最后还是节约了空间。

探究VS中的位段内存分布情况： 

struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

第一步， struct S s = {0};将结构体变量初始化为0

s.a =10 将10的二进制放到char a中，但是a只能放3个比特位，而10的二进制是1010，所以只能放三个比特位，从右到左截取三个进行存放。

第二步、b=12，b可以放四个比特位，12的二进制是1100，所以四个放入刚刚a放入的空间。

 第三步，该空间所剩下的比特位不够变量c（5个比特位）进行存放，所以另外开辟一共空间放入c的比特位。

而因为c是3，占据五个比特位，3的二进制是00011，所以存入五个进去。

第四步、同样d也需要开辟空间，且d需要四个比特位。d是4 二进制位是0100，存入新开辟的空间。

第五步、最后按照四个比特位（二进制位）一个十六进制位进行转化，最后再内存中的展示也是如此。

总结图：

以上都是VS编译器中出现的位段现象！ 

位段的跨平台问题：

• int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。
• 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。
• 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。
• 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：

位段在不同的编译器不同的平台效果不一样， 所以建议在一定要需要节约内存的时候使用位段，若使用位段，只能不同的平台写不同的代码。

注意事项：

• 位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。
• 内存中每个字节分配一个地址，一个字节内部的bit位是没有地址的。
• 所以不能对位段的成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。 

struct A
{
 int _a : 2;
 int _b : 5;
 int _c : 10;
 int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}

热知识：

1. bit就是位，也叫比特位，是计算机表示数据最小的单位
2. byte就是字节
3. 1byte=8bit
4. 1byte就是1B
5. 一个字符=2字节
6. 1KB=1024B

   1.字节就是Byte，也是B

   2.位就是bit也是b

   3.转换关系如下：

   1)1KB=1024B

   2) 1B= 8b

 

问题返回：

让我们返回最开始的例子：

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

1. 按照以上的规则 2+5+10+30=47个字节，但是按照字节内部的比特位分布情况
2. a和b占据一个字节，c单独占据两个字节，而d占据五个字节，一共七个字节，但是按照字节的开辟空间的原理，是按照先开辟空间，后放置比特位，也就是说，最后的字节数其实要看开辟空间的类型的。
3. 在这里是int类型，也就是说是4个字节4个字节开辟空间的，所以应该是八个字节。 

经典例题：

int main()
{
  unsigned char puc[4]; //无符号char类型数组 
 
  struct tagPIM 
  {
    unsigned char ucPim1;
    unsigned char ucData0 : 1;
    unsigned char ucData1 : 2;
    unsigned char ucData2 : 3;
  }*pstPimData;  //一个使用了位段的结构体变量
 
  pstPimData = (struct tagPIM*)puc; //数组被强转为了结构体tagPIM * 类型
 
  memset(puc,0,4);//使用了memset 将puc中的四个字节进行改变，把四个字节变成了0 
                 //因为puc是char类型，也就是把puc内部元素初始化为0
 
  pstPimData->ucPim1 = 2; 
  pstPimData->ucData0 = 3;
  pstPimData->ucData1 = 4;
  pstPimData->ucData2 = 5;
 
//以上是赋值阶段
 
  printf("%02x %02x %02x %02x\n",puc[0], puc[1], puc[2], puc[3]);
 
  return 0;
}

解析：

•  根据以上所学的位段知识，我们得到，在结构的位段中，    unsigned char ucPim1;占据一个字节，unsigned char ucData0 : 1;和unsigned char ucData1 : 2;以及unsigned char ucData2 : 3;一共占据一个字节，所以结构体位段，占据了两个字节！
• pstPimData = (struct tagPIM*)puc;  在强转后，将puc的地址交予了指针变量pstPimData

  pstPimData->ucPim1 = 2; 
  pstPimData->ucData0 = 3;
  pstPimData->ucData1 = 4;
  pstPimData->ucData2 = 5;

以上是一个结构体成员赋值阶段，但是，在赋值的同时我们也要注意 位段！我们需要按照位段的指示放置元素！——注意本题使用的位段在VS编译器中实现！

• pstPimData->ucPim1 = 2; 放置2的二进制数位，因为该成员没有位段结构，且占据了一个字节，所以直接放入即可，0000 0010 放入2的二进制数位的八个比特位。
• pstPimData->ucData0 = 3;因为该成员的位段是1，所以在将3变为二进制数位后，从右到左数一个比特位，按照从右到左的方式放入第二个字节中，占据第二个字节中的一个比特位。
• pstPimData->ucData1 = 4;步骤如上一步一样，最后在前一步完成的基础上，从右到左的在第二个字节中，放入两个比特位
• pstPimData->ucData2 = 5;也是如此。

图解：

注意：

因为 pstPimData = (struct tagPIM*)puc; 的原因，所以结构体成员放入的空间是puc数组的，且打印的时候是使用%02x，也就是十六进制位数，且强制两位，所以按照每四个比特位换一个十六进制位的功能，最后答案是：02 29 00 00

关于memset的使用：memcmp 与 memset_明 日 香的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/2301_76445610/article/details/132617490?spm=1001.2014.3001.5501  

---