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引言

详细介绍C语言中的位段是什么，位段的内存分配，位段的跨平台问题，位段的应用，位段使用时的注意事项

一、位段是什么

在 C 语言里，位段（Bit - field）属于一种特殊的数据结构，它允许你在一个结构体里以位为单位对数据进行定义和使用，这样就能更有效地利用内存空间。

位段的声明和结构体是类似的，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：

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

这里A就是一个位段

对比一下结构体和位段在内存中的大小：

//结构体 struct A1 { int _a; int _b; int _c; int _d; }; //位段 struct A2 { int _a : 2; int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; }; int main() { printf("%zd\n", sizeof(struct A1));//16 printf("%zd\n", sizeof(struct A2));//8 return 0; }

运行结果：

会发现位段A2占8个字节，结构体A1占16个字节，这是为什么呢？

二、位段的内存分配

struct A { int _a : 2; //占（用）2个bit位 int _b : 5; //占（用）5个bit位 int _c : 10; //占（用）10个bit位 int _d : 30; //占（用）30个bit位 };

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 ））的方式来开辟的。

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。

举一个例子来说明一下：

代码：

struct S { char a : 3; //占3个bit char b : 4; //占4个bit char c : 5; //占5个bit char d : 4; //占4个bit }; int main() { struct S s = { 0 }; printf("%zd\n", sizeof(struct S)); s.a = 10; //令a = 10 二进制是 1010 只能放 3位，哪三位不确定 s.b = 12; //令b = 12 二进制是 1100 4个bit可以放下 s.c = 3; //令c = 3 二进制是 0011 5个bit可以放下 s.d = 4; //令d = 4 二进制是 0100 4个bit可以放下 } //空间是如何开辟的？

这里是在VS2022上

1. 申请到一个字节在使用的时候，这些比特位从左向右使用，还是从右向左使用，不确定，假设是从右向左使用。

2.剩余的空间不够下一个成员使用，是否浪费，不确定。假设是浪费

看下图分析：

上图中的3个字节里面的二进制是 01100010 00000011 00000100

对应的十六进制是（4个二进制转化成1个十六进制）

6 2 0 3 0 4

调试一下：

运行结果：

说明假设正确。

三、位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2. 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。

3. 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。

4. 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： 跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

注意

1. 取值范围：位段所能表示的数值范围由其占用的位数决定。例如，占 2 位的位段，其取值范围是 0 到 3（即 (2^2 - 1)）；占 3 位的位段，取值范围是 0 到 7（即 (2^3 - 1)），依此类推。
2. 内存对齐：位段的内存分配与结构体的内存对齐规则有关。在某些情形下，为了保证访问效率，编译器也许会在成员间插入填充位。
3. 类型限制：位段成员的类型通常是unsigned int、signed int或者bool（C99 引入）。虽然部分编译器也支持char类型的位段，但最好使用int类型以保证可移植性。

四、位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的。

五、位段使用的注意事项

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&（取地址）操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输人值，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

如代码:

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; }