C/C++ struct位结构(位域)

2016-12-14 09:56:39来源:http://blog.csdn.net/zhangboyj/article/details/6201856作者:zhangboyj人点击

从问题开始


#includevoid main(){union{struct{unsigned short s1:3;unsigned short s2:3;unsigned short s3:3;}x;char c;}v;


v.c=100;printf("%d/n",v.x.s3);}A:4 B:0 C:3 D:6答案是A


但我在TURBO C中运行答案是1请问 是因为TURBO C 版本在原因而运行结果不一样吗?我用在TURBO C V2.0版本,能解释一下为甚么是4或1?而v.x.s1和v.x.s2的 值 在TURBO C V2.0版本运行的结果是4?其中unsigned short s1:3; 中的“:”又是什么意思?-----------------------------


位结构位结构是一种特殊的结构, 在需按位访问一个字节或字的多个位时, 位结构比按位运算符更加方便。位结构定义的一般形式为:


struct位结构名{数据类型 变量名: 整型常数;数据类型 变量名: 整型常数;} 位结构变量;


其中: 数据类型必须是int(unsigned或signed)。整型常数必须是非负的整数, 范围是0~15, 表示二进制位的个数, 即表示有多少位。变量名是选择项, 可以不命名, 这样规定是为了排列需要。


例如: 下面定义了一个位结构。struct{unsigned incon: 8;unsigned txcolor: 4;unsigned bgcolor: 3;unsigned blink: 1;}ch;位结构成员的访问与结构成员的访问相同。例如: 访问上例位结构中的bgcolor成员可写成:ch.bgcolor


注意:1. 位结构中的成员可以定义为unsigned, 也可定义为signed, 但当成员长度为1时, 会被认为是unsigned类型。因为单个位不可能具有符号。2. 位结构中的成员不能使用数组和指针, 但位结构变量可以是数组和指针, 如果是指针, 其成员访问方式同结构指针。3. 位结构总长度(位数), 是各个位成员定义的位数之和, 可以超过两个字节。4. 位结构成员可以与其它结构成员一起使用。例如:struct info{char name[8];int age;struct addr address;float pay;unsigned state: 1;unsigned pay: 1;}workers;'上例的结构定义了关于一个工从的信息。其中有两个位结构成员, 每个位结构成员只有一位, 因此只占一个字节但保存了两个信息, 该字节中第一位表示工人的状态, 第二位表示工资是否已发放。由此可见使用位结构可以节省存贮空间。


问题的解答结构struct x,有三个成员s1,s2,s3每一个成员占3 bit,结构与char c union ;char 一般机器占一个字节(8 bit ,100 二进制值为:01100100,所以s1后三bit(6,7,8 bit) :100,s2为中间三位(3,4,5 bit)为100 s3为01,所以printf("%d/n",v.x.s3)是1,其它是4。现在大多数系统都是将低字位放在前面,而结构体中位域的申明一般是先声明高位。


100 的二进制是 001 100 100


低位在前 高位在后


001----s3


100----s2


100----s1


所以结果应该是 1


如果先申明的在低位则:


001----s1


100----s2


100----s3


结果是 4 其中unsigned short s1:3; 中的“:”又是什么意思?指定位段, 3代表预定s1占3bit.


为什么是4?struct{unsigned short s1:3; //一个字节. 虽然预定为3bit,但系统的存储空间为至少一字节.unsigned short s2:3; //一个字节unsigned short s3:3; //一个字节}x;这样在联合union中最大的成员为三个字节,而最终结果为了内存对齐(对齐为4的倍数).取为4.


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。一、位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿,其形式为: 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. 一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节(这个限制好像仅限于char型)。如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 } 在这个位域定义中,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. 由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是说不能超过8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。 二、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。 main(){ 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。程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。( 应注重赋值不能超过该位域的答应范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针 方式给位域a重新赋值,赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&=", 该行相当于: pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7,与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为 3)。同样,程序第16行中使用了复合位运算"=", 相当于: pbit->c=pbit->c1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。


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) = 1sizeof(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。


网上有如下的解释:/*************************************************************************C99规定int、unsignedint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;(经测试此条好像仅限于char型,整型可以跨域存储)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++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

位域的定义如下 :


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。一、位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿,其形式为: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


位域有几点说明:


1、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,比如利用空域和无位域名的位域。


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。有其他人说是不能超过8位,我在我的机子上(linux as4系统)是可以实现int :32的位域长度的。莫非是位域重新进行定义了?


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。


二、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。


举个例子:


1 #include 23 int main()4 {5 struct bs6 {7 char a:1;8 char b:3;9 char :0; /*空域*/10 char c:4;11 char :6; /*无位域名的位域*/12 int e:18;13 } __attribute__((packed)); /*必须增加__attribute__((packed)),否则对齐的时候会和预计结果不同*/1415 struct bs bit,*pbit;1617 printf("size of char is %d/n", sizeof(char));18 printf("size of int is %d/n", sizeof(int));1920 printf("size of bit is %d/n", sizeof(bit));2122 return 0;23 }


运行的结果1如下:


size of char is 1size of int is 4size of bit is 4


如果把程序第12行的e:18改为19的话,那么运行结果2如下:


size of char is 1size of int is 4size of bit is 5


如果把程序第13行的__attribute__((packed))去掉,那么运行结果3如下:


size of char is 1size of int is 4size of bit is 8


对运行结果123进行比较可以得知:


1、位域长度可以大于8,具体看数据类型,我测试了每一种数据类型,每一种类型的最大位域长度均为自身类型的长度;


2、空域的作用在添加了__attribute__((packed))之后失效;


3、未添加__attribute__((packed))的位域会对数据进行对齐:


例如:


structbf{chara:5;intb:27;};

bf的字节数为4,如果将a的位域改为6,那么a和b的位域长度和超过int的长度32,int类型根据自身长度的倍数进行对齐,所以bf的字节数则变为8。


同样


structbf{intb:27;chara:5;}

也有同样的结论。


如果添加了了__attribute__((packed)),那么系统会对数据进行压缩,而不会发生bf的结果。



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