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C语言中位域(bit struct)和#pragma pack(n)指令对其影响。

分类: C/C++  |  标签: struct,语言,c,alignment,byte,存储  |  作者: ace_fei 相关  |  发布日期 : 2014-06-02  |  热度 : 343°

刚才看INTERNETWORKING with TCP/IP Volume 3的时候看到下面代码

struct  rtp {
  unsigned 
int  rtp_cc: 4
....
}
;

有点奇怪,不知道这个unsigned int rtp_cc:4是什么意思,照例google了下得到如下信息:

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。

(上面的说法好像不太对,我们假设sizeof(int) == 4,那么 sizeof(data) 的值应该是4,也就是说结构体 data 占用了一个 int 所占用的空间。

如图所示:

                xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx

                                                               ---- ---- (data.a 所占的空间 8 bits)

                                                          -- (data.b 所占的空间 2bits)

                                            ---- -- (data.c 所占的空间 6bits) 

可以看到 a, b, c一共占用了低16位的空间。)

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。

(我觉得这里不应该是以字节为单位,应该是以定义的类型为单位,如上例中,就应该以 unsigned 为一个单位,b 从第二个unsigned 开始。

个人觉得,对于空域,不用去管里头到底是 0 还是1,意义不大,因为你访问不到他。


        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。
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 ;
        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。

上面的信息来自 链接地址

对我来说位域对那些对关系每位是什么的程序提供了便利。

还有就是#pragma pack(n)对位域的影响和其他类型相同。
看下面程序:

#include  < iostream >
// #pragma pack(1)
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;
}
;

int  main()
{
    std::cout
<< sizeof (bs) << sizeof (s);
    bs _bs;
    
// std::cout<<sizeof(_bs.e);  // error C2070: 'char': illegal sizeof operand
     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 accoeding 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

又遇到一个C中不懂的东西。以后绝对不能在简历中写:精通C/C++.真的还有很长路要走。