位域(Bit-fields)分析

 

 

位域是c++和c里面都有的一个概念，但是位域有要注意的很多问题：

 

1.大端和小端字节序

这个很简单，就是起始点该怎么确定。

先看一个程序：

 

1.union {

2.    struct 

3.    {

4.        unsigned char a1:2;

5.        unsigned char a2:3;

6.        unsigned char a3:3;

7.    }x;

8.    unsigned char b;

9.}d;

10.int main(int argc, char* argv[])

11.{

12.    d.b = 100;

13.    return 0;

14.}

那么x的a1，a2，a3该怎么分配值，100的二进制是：0110 0100，那么a1到a3是不是就是依次取值恩？

不是！

我们先看看100分配位的低端是左边的0还是右边的0？很明显是右边的0，那么我们再看a1到a3的分配是从低端到高端的,那么，对应的应该是

内存大  内存小

a3   a2  a1

011  001 00

 

 

 

还有一个情况多见就是一个二进制的数字转化为点分十进制数值，如何进行，这里涉及到大端还是小端的问题，上面没有涉及，主要是因为上面是一个字节，没有这个问题，多个字节就有大端和小端的问题了，或许我们应该记住这一点就是,在我们的计算机上面,大端和小端都是以字节为准的,当然严格来说更应该以位为准不是吗?

具体可以参考维基百科上面的一篇文章,他给出了一个以位为准的大小端序的图:

 

 

下面研究字节为单位的大小端序,继续看代码吧,如下：

 

1.int main(int argc, char* argv[])

2.{

3.    int a = 0x12345678;

4.    char *p = (char *)&a;

5.    char str[20];

6.    sprintf(str,"%d.%d.%d.%d", p[0], p[1], p[2], p[3]);

7.    printf(str);

8.    return 0;

9.}

这个程序假设是小端字节序，那么结果是什么？

我们看看应该怎么放置呢？

每个字节8位，0x12345678分成4个字节，就是从高位字节到低位字节：12，34，56，78，那么这里该怎么放？如下：

－－－－>>>>>>内存增大

78 56 34 12

 

因为这个是小端，那么小内存对应低位字节，就是上面的结构。

 

接下来的问题又有点迷糊了，就是p怎么指向，是不是指向0x12345678的开头－－12处？不是！12是我们所谓的开头，但是不是内存的开始处，我们看看内存的分布，我们如果了解p[0]到p[1]的操作是&p[0]+1,就知道了，p[1]地址比p[0]地址大，也就是说p的地址也是随内存递增的！

 

12 ^ p[3]

    |

34 | p[2]

    |

56 | p[1]

    |

78 | p[0]

内存随着箭头增大！同时小端存储也是低位到高位在内存中的增加！

这样我们知道了内存怎么分布了

 

那么：

 

1.sprintf(str,"%d.%d.%d.%d", p[0], p[1], p[2], p[3]);

str就是这个结果了：

120.86.52.18（注意：这个地方是以十进制的形式输出的）

 

那么反过来呢？

 

1.int main(int argc, char* argv[])

2.{

3.    int a = 0x87654321;

4.    char *p = (char *)&a;

5.    char str[20];

6.    sprintf(str,"%d.%d.%d.%d", p[0], p[1], p[2], p[3]);

7.    printf(str);

8.    return 0;

9.}

依旧是小端，8位是一个字节那么就是这样的啦：

 

87 ^ p[3]

     |

65 | p[2]

    |

43 | p[1]

    |

21 | p[0]

 

结果是：

33.67.101.-121

为什么是负的？因为系统默认的char是有符号的，本来是0x87也就是135，大于127因此就减去256得到-121

那么要正的该怎么的弄？

如下就是了：

 

1.int main(int argc, char* argv[])

2.{

3.    int a = 0x87654321;

4.    unsigned char *p = (unsigned char *)&a;

5.    char str[20];

6.    sprintf(str,"%d.%d.%d.%d", p[0], p[1], p[2], p[3]);

7.    printf(str);

8.    return 0;

9.}

用无符号的！

结果：

33.67.101.135

 

2．位域的符号（正负）

看完大端和小端以后，再看看位域的取值的问题，上面我们谈到了一些，首先就是位域是按照位来取值的跟我们的int是32位char是8位一样，很简单，但是，要注意一点就是位域也有正负，指有符号属性的，就是最高位表示的，也会涉及到补码这个一般被认为非常恶心的东西，看看程序吧：

 

1.#include

2.#include

3.#include

4.int main(int argc, char** argv)

5.{

6.    union

7.    {

8.        struct

9.        {

10.            unsigned char a:1;

11.            unsigned char b:2;

12.            unsigned char c:3;

13.        }d;

14.        unsigned char e;

15.    } f;

16.    f.e = 1;

17.    printf("%d\n",f.d.a);

18.    return 0;

19.}

<小端>

那么输出是什么？

换一下：

 

1.#include

2.#include

3.#include

4.int main(int argc, char** argv)

5.{

6.    union

7.    {

8.        struct

9.        {

10.            char a:1;

11.            char b:2;

12.            char c:3;

13.        }d;

14.        char e;

15.    } f;

16.    f.e = 1;

17.    printf("%d\n",f.d.a);

18.    return 0;

19.}

输出又是什么？

 

小端的话，那么，再d.a上面分得1，而这个是无符号的char，那么前者输出是1，没有问题，第二个输出是－1，哈哈。为什么？

第二个是有符号的，就一个位分得1，那么就是最高位分得1，就是负数，负数用的补码，实际的值是取反加1，就是0+1＝1，再取符号负数，就是－1.

3．整型提升

最后的打印是用的%d，那么就是对应的int的打印，这里的位域肯定要提升，这里有一点，不管是提升到有符号还是无符号，都是自己的符号位来补充，而不改变值的大小(这里说的不改变值大小是用相同的符号属性来读取)，负数前面都补充1，正数都是用0来补充，而且也只有这样才能保证值不变，比如，char提升到int就是前面补充24个char的最高位，比如：

 

1. char c = 0xf0;

2. int p = c;

3. printf("%d %d\n",c,p);

输出：-16 -16

p实际上就是0xfffffff0,是负数因此就是取反加1得到c是一个负数那么转化到x的时候就是最高位都用1来代替，得到的数不会改变值大小的。

再看：

 

1. char c = 0xf0;

2. unsigned int x = c;

3. printf("%u\n",x);

得到的结果是4294967280，也就是0xfffffff0,记住，无符号用%u来打印。

地址不可取

最后说的一点就是位域是一个字节单元里面的一段，是没有地址的！