C语言中的位域

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当我们声明一个结构体或联合体类型时，结构体/联合体类型变量的大小取决于其各个元素的大小。您可以设置位的大小来限制大小，而不是使用默认的内存大小。指定的大小称为位域。

这是声明位域的语法：

struct {
   data_type elem : width;
};

假设您的 C 程序包含许多在名为status的结构体中分组的 TRUE/FALSE 变量，如下所示：

struct {
   unsigned int widthValidated;
   unsigned int heightValidated;
} status;

此结构体需要 8 字节的内存空间，但实际上，我们每个变量都只存储“0”或“1”。C 语言提供了一种更好的方法来利用此类情况下的内存空间。

如果您在结构体中使用此类变量，则可以定义变量的宽度，这告诉 C 编译器您只打算使用那么多字节。例如，上述结构体可以改写如下：

struct {
   unsigned int widthValidated : 1;
   unsigned int heightValidated : 1;
} status;

上述结构体需要 4 字节的内存空间来存储status变量，但只使用 2 位来存储值。

示例

如果您最多使用 32 个变量，每个变量的宽度为 1 位，那么status结构体也将使用 4 个字节。但是，一旦您有 33 个变量，它将分配下一个内存槽，并将开始使用 8 个字节。

让我们检查以下示例以了解这个概念：

#include <stdio.h>

/* define simple structure */
struct {
   unsigned int widthValidated;
   unsigned int heightValidated;
} status1;

/* define a structure with bit fields */
struct {
   unsigned int widthValidated : 1;
   unsigned int heightValidated : 1;
} status2;

int main() {

   printf("Memory size occupied by status1: %d\n", sizeof(status1));
   printf("Memory size occupied by status2: %d\n", sizeof(status2));
   
   return 0;
}

输出

编译并执行上述代码后，将产生以下输出：

Memory size occupied by status1: 8
Memory size occupied by status2: 4

位域声明

位域的声明在结构体内部具有以下形式：

struct {
   type [member_name] : width ;
};

下表描述了位域的变量元素：

使用预定义宽度定义的变量称为位域。位域可以容纳多个位；例如，如果您需要一个变量来存储 0 到 7 的值，则可以定义一个宽度为 3 位的位域，如下所示：

struct {
   unsigned int age : 3;
} Age;

上述结构体定义指示 C 编译器变量“Age”将仅使用 3 位来存储值。如果您尝试使用超过 3 位，则它将不允许您这样做。

示例

让我们尝试以下示例：

#include <stdio.h>

struct {
   unsigned int age : 3;
} Age;

int main() {

   Age.age = 4;
   printf("Sizeof(Age): %d\n", sizeof(Age));
   printf("Age.age: %d\n", Age.age);

   Age.age = 7;
   printf("Age.age : %d\n", Age.age);

   Age.age = 8;
   printf("Age.age : %d\n", Age.age);

   return 0;
}

输出

编译上述代码时，将出现警告：

warning: unsigned conversion from 'int' to 'unsigned char:3' changes value from '8' to '0' [-Woverflow]|

执行时，将产生以下输出：

Sizeof(Age): 4
Age.age: 4
Age.age: 7
Age.age: 0

您可以在存储空间有限的情况下使用位域。当设备传输编码到多个位中的状态或信息时，位域也很有效。每当某些加密程序需要访问字节内的位时，都使用位域来定义数据结构。