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位域,pragma pack(n)相关

分类: C++  |  标签: struct,alignment,编译器,存储,byte,c  |  作者: jiju8484 相关  |  发布日期 : 2014-07-05  |  热度 : 693°

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里面有如下代码:

struct {

   unsigned char a:4;

   unsigned char b:4;

} i;

for (i.a = 1; i.a <= 9; i.a++)

   for (i.b = 1; i.b <= 9; i.b++)

         if (i.a % 3 == i.b % 3)

                  printf(“A = %d, B = %d/n”, i.a, i.b);

不解,到网上搜索一下,原来是位域相关问题。

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

struct bs

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;
};

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。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。(按照以上的理解,就说明位域的长度不能够超过所定义类型的长度,例如 定义: int a:36就是不允许的)

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。

#include

main(){

struct bs

{

unsigned a:1;

unsigned b:3;

unsigned c:4;

} bit,*pbit;

bit.a=1;

bit.b=7;

bit.c=15;

printf("%d,%d,%d ",bit.a,bit.b,bit.c);

pbit=&bit;

pbit->a=0;

pbit->b&=3;

pbit->c|=1;

printf("%d,%d,%d ",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。( 应注意赋值不能超过该位域的允许范围)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->c|1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

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;

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。

#include
#pragma pack(1)
using namespace std;

int main()
{
    struct bs
    {
        int a:1;
        int b:5;
        int c:4;
        int d:6;
        char e:2;
        char f:6;
    };

    struct s
    {
        int a;
        int b;
        int c;
        int d;
        char e;
        char f;
    };
    cout<

    system("pause");
    return 0;
}

在这里bs总共占有 4+3+1 byte

4: sizeof(int)
3: for the alignment
1: sizeof(char)

位域是将C一个类型的变量分开(提供一个分开操作某种数据类型的机制,使操作粒度到达bit级别)管理如果把上面程序中第二行的注释去掉
则bs总共占用 4+1 byte
4: sizeof(int)
//3: alignment every 1 byte according to the #pragma pack(1), so this blank is removed.
1: sizeof(char)

这里给出struct s最为对比
注释掉pack指令
sizeof(s) = 4+4+4+4+2+2 = 20 byte
加上pack指令
sizeof(s) = 4+4+4+4+1+1 = 18 byte

那么#pragma pack()的具体含义如何呢?

简单的说:

#pragma pack(n)
数据边界对齐方式:
以如下结构为例: struct {
                     char a;
                     WORD b;
                     DWORD c;
                     char d;
                    }
在Windows默认结构大小: sizeof(struct) = 4+4+4+4=16;
与#pragma pack(4)一样
若设为 #pragma pack(1), 则结构大小: sizeof(struct) = 1+2+4+1=8;
若设为 #pragma pack(2), 则结构大小: sizeof(struct) = 2+2+4+2=10;
在#pragma pack(1)时:空间是节省了,但访问速度降低了;

在C语言中,结构是一种复合数据类型,其构成元素既可以是基本数据类型(如int、long、float等)的变量,也可以是一些复合数据类型(如数组、结构、联合等)的数据单元。在结构中,编译器为结构的每个成员按其自然对界(alignment)条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储,第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

例如,下面的结构各成员空间分配情况:
struct test
{
     char x1;
     short x2;
     float x3;
     char x4;
};

结构的第一个成员x1,其偏移地址为0,占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型,其起始地址必须2字节对界,因此,编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上,在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中,成员x3要求4字节对界,是该结构所有成员中要求的最大对界单元,因而test结构的自然对界条件为4字节,编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为 12字节。

更改C编译器的缺省字节对齐方式
在缺省情况下,C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地,可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件:
     · 使用伪指令#pragma pack (n),C编译器将按照n个字节对齐。
     · 使用伪指令#pragma pack (),取消自定义字节对齐方式。

另外,还有如下的一种方式:
     · __attribute((aligned (n))),让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。
     · __attribute__ ((packed)),取消结构在编译过程中的优化对齐,按照实际占用字节数进行对齐。

以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。

Intel和微软和本公司同时出现的面试题

#pragma pack(8)

struct s1{
   short a;
   long b;
};

struct s2{
      char c;
      s1 d;
     long long e;
};

 


1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c后面空了几个字节接着是d?

结果如下:

sizeof(S2)结果为24.
成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐.也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.
S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;
S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是 按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节 的空,从第16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节.