一、什么是位段

位段的聲明和結(jié)構(gòu)是類似的，有兩個不同：

1. 位段的成員必須是 int、unsigned int 或signed int
2. 位段的成員名后邊有一個冒號和一個數(shù)字

• 在下面，我分別寫了一個結(jié)構(gòu)體和一個位段，注意看位段的寫法和結(jié)構(gòu)體有什么不同

//結(jié)構(gòu)體
struct A {
	int a;
	int b;
	int c;
	int d;
};
//位段
struct B{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

然后我們sizeof去計算一下這個結(jié)構(gòu)體的大小

printf("結(jié)構(gòu)體大?。?d\n", sizeof(struct A));
printf("位段大小：%d\n", sizeof(struct B));

可以看到，結(jié)構(gòu)體的大小是16，位段是8，二者為何會存在區(qū)別呢？原因在于這個: 2嗎？

• 那根據(jù)位段后面的這些數(shù)字，我們可以初步去斷定可能大小是這些數(shù)組的總和，再轉(zhuǎn)換為字節(jié)的。計算一下可以知道為47b，在內(nèi)存中1B = 8b，要存下這個47個比特位的話應(yīng)該6個字節(jié)就夠了，但是結(jié)果為什么是8呢？我們不得而知??

學(xué)習(xí)了位段的相關(guān)知識后你就知道了

二、位段的內(nèi)存分配

首先來科普一下位段的相關(guān)知識??

1. 位段的成員可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （屬于整形家族）類型
2. 位段的空間上是按照需要以4個字節(jié)[int]或者1個字節(jié) [char] 的方式來開辟的。
3. 位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺的，注重可移植的程序應(yīng)該避免使用位段

那從上面我們就可以提取出一些信息，知道了對于整型而言會開辟出4個字節(jié)的數(shù)據(jù)給到位段作為存放，那接下去呢我們就來分析一下這個位段

• 仔細(xì)觀察可以得知每個成員都是整型，那首先開辟出32個比特位
  • _a占了2個比特位，還剩下【30b】
  • _b占了5個比特位，還剩下【25b】
  • _c占了10個比特位，還剩下【15b】
  • _d占了30個比特位，但是剩下的【15b】不夠用了，此時編譯器會繼續(xù)開辟出4B，也就是32b的空間來存放

所以最后的結(jié)果就是4 + 4 = 8B

struct B{
		//4Byte - 32bit
	int _a : 2;		//30
	int _b : 5;		//25
	int _c : 10;	//15
		//4Byte - 32bit
	int _d : 30;
	//4 + 4 = 8
};

看了我上面的這樣計算，你一定會有這些疑問

?? 第一次是32b用剩后的【15b】去哪兒了呢？

?? _d使用的是【15b】+ 后面開辟出來的32b，還是只用到后面的32b呢？

?? 難道所有平臺都是這樣嗎？有沒有不一樣的計算方法？

上面是很多同學(xué)在課后提出來的疑問，關(guān)于這些，你在看完了我下面的分析后就會明白了?? 內(nèi)存圖分析位段分布

接下去我就通過對位段進(jìn)行分析，然后觀察內(nèi)存分布來揭曉上面究竟是如何計算的。

為了方便期間，這里換一組位段，但是換湯不換藥

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main(void)
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}

• 首先來看一下存放這個位段需要的字節(jié)數(shù)?？梢钥吹竭@個位段中的每個成員都是char類型的，所以編譯器會首先為其分配一個字節(jié)的空間，然后隨著變量的存入，最終是需要三個字節(jié)

然后我們來逐一分析一下??

• 剛才說了，這個位段在內(nèi)存中需要開辟三個字節(jié)，這些變量要怎么存呢，首先看到變量a占了3個比特位，那是從左邊的三位開始放還是右邊的三位呢？總不可以從中間開始放吧！

那我們假設(shè)一下，從右邊往左邊放，那么a放完后就是b，占4個比特位，但是放c的時候就放不下了，所以需要在開辟1個字節(jié)的空間，此時d再來放的話也放不下了，所以也要再開辟1個字節(jié) ，最后也就需要3個字節(jié)的空間

【詳細(xì)分析如下】：

接下去我們就根據(jù)main函數(shù)中對位段各變量的初始化，來看看位段在內(nèi)存中的分布情況：a的初始值為10，不過這是十進(jìn)制，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的話就是[1010]，轉(zhuǎn)看位段這里a變量的是占了3位，所以會截斷成010，將它放到第一個字節(jié)處的右邊3個比特位處

• 接下去是b，初始值為12，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的話就是[1100]，而b在內(nèi)存中也剛好是占4個比特位的大小，剛好第一個字節(jié)處還可以放得過，所以繼續(xù)順位放置
• 然后是c,初始值為3，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的話就是11，但是c在內(nèi)存中也占5個比特位的大小，所以要在前面做一個擴充便為[00011]，但是第一個字節(jié)放不下了，上面放了【3】+【4】=【7】，只剩下1個比特位，那我們考慮再開一個字節(jié)的空間，為了保持連續(xù)性就直接把這個5個比特位的數(shù)據(jù)放到第二個字節(jié)的右邊
• 最后的是d，初始值為4，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的話就是100，不過d在內(nèi)存中也占4個比特位的大小，所以要在前面補上一個0，即為[0100]，但是第二個字節(jié)也放不過了，只剩三個比特位了，所以我們考慮再開一個字節(jié)的空間，然后放這個d

上面只是我假設(shè)的編譯器執(zhí)行思維，不過真正是怎樣的，我們還是要求證一下

• 那要怎么求證呢？這個很簡單，既然這些變量都是存放在位段中，那我們剛才都算出所存放的二進(jìn)制形式了。對于內(nèi)存中的地址一般我們看到都是十六進(jìn)制，所以可以考慮把這些二進(jìn)制4個為一組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制看看
  • 01100010即為——>0x62
  • 00000011即為——>0x03
  • 00000100即為——>0x04
• 而在內(nèi)存中左邊是低地址，右邊是高地址，所以我們看到的應(yīng)該是62 03 04 cc。來通過【內(nèi)存】觀察一下吧

可以看到，確實和我們分析得是一模一樣?

看完了上面這個，相信你對一開始的那個位段如何去進(jìn)行求解的整個流程應(yīng)該是非常清楚了，留給讀者自己的分析觀察??

三、位段的跨平臺問題

接下去我們再來講講有關(guān)位段的跨平臺的問題

• int 位段被當(dāng)成有符號數(shù)還是無符號數(shù)是不確定的
• 位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機器最大16，32位機器最大32）
  • 假設(shè)我們將位段中一個變量所占大小設(shè)置為30，即占30個比特位，那么它在32為機器上是沒問題的，但是放到早期的16位機器上去的話，可能連編譯都編不過，因為根本存放不下
• 位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義
  • 剛才我分析的時候假設(shè)的是從右往左進(jìn)行分配，但是呢這在其他平臺上可能又是不一樣的了
• 當(dāng)一個結(jié)構(gòu)包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納于第一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的
  • 這也就是我們一開始糾結(jié)的【15】到底還用不用的問題，這里給出解答，還是不確定，取決于平臺

總結(jié)：跟結(jié)構(gòu)相比，位段可以達(dá)到同樣的效果，但是可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺的問題存在

• 這可能還有的老鐵不太理解，舉個例子：假設(shè)結(jié)構(gòu)體A中的這個變量a只可能有【0】【1】【2】【3】這四種取值，那么只需要2個比特位就可以表達(dá)這四個數(shù)字了，即【00】【01】【10】【11】，那我們便可以使用位段來是實現(xiàn):2，但若是放在普通結(jié)構(gòu)體中的話就只能是一個整型4個字節(jié)32個比特位的大小，這也就浪費了很多的空間
• 同理，若是變量b也只有5種表示形式的話，5個比特位就夠了，c、d也是一樣。那么這個時候位段就派上用場了，若是使用結(jié)構(gòu)體的話就會浪費掉很多的空間。所以我們前面在看的時候，結(jié)構(gòu)體所占的空間大小是16B，而位段只有8B

四、位段的應(yīng)用

清楚了位段的相關(guān)知識和使用后，可能還是有同學(xué)比較迷惑這個位段到底是用來干嘛的，有什么實際應(yīng)用場景嗎？我們來看看

• 比方說這里有個IP數(shù)據(jù)包，有學(xué)習(xí)過《計算機網(wǎng)絡(luò)》相關(guān)知識的讀者應(yīng)該都很清楚【不了解可以看看網(wǎng)絡(luò)層知識點匯總】，我們平常在網(wǎng)絡(luò)上和別人互相聊天的時候，所發(fā)送的消息并不是直接在網(wǎng)絡(luò)鏈路上進(jìn)行傳送的，而是會將其封裝到一個數(shù)據(jù)包中，它叫做IP數(shù)據(jù)包，例如我們所發(fā)送的呵呵只是里面的一個數(shù)據(jù)部分，還存在其他很多的字段，這些字段都占有各自的字節(jié)數(shù)
• 其實對于這些字節(jié)數(shù)來說，就是使用【位段】來實現(xiàn)，精準(zhǔn)地控制好每個字段需要多少字節(jié)數(shù)，，就不會造成浪費的現(xiàn)象了

五、總結(jié)與提煉

最后來總結(jié)一下本文所學(xué)習(xí)的內(nèi)容??

• 在本文中，我們首先講到了位段的相關(guān)概念，知道了原來使用結(jié)構(gòu)體還可以實現(xiàn)位段，不過在看了二者的大小后，卻產(chǎn)生了疑惑，為什么位段所占的大小是這些呢？
• 在清楚了位段在內(nèi)容中的相關(guān)分布后，我?guī)еx者一步步分析了位段中的成員數(shù)據(jù)到底是怎么一個個存放到內(nèi)存中的，也通過VS中的【內(nèi)存】驗證觀察了我們的分析結(jié)果，是正確的
• 然后便說道了位段這個東西其實具備很大的不確定性，因為它存在跨平臺的問題，在不同平臺下實現(xiàn)的機制可能不同，所以就會導(dǎo)致最后的位段大小會不一致
• 最后，也說道了位段的作用以及其實際的應(yīng)用場景，讓讀者學(xué)以致用

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