C语言之位域

        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。

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位域的定义：
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。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. 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。
1：指针类型变量不能指定所占的位数
2. 在声明成员变量时，可以用         变量名 ：bit数；
来确定结构体类型的成员变量的值所占的字位数，如果在实际应用中，该变量的值超出了在声明它时所声明的字位数，那么溢出的部分将会丢失。

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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。

int main(void)
{
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\n", bit.a, bit.b, bit.c);
pbit = &bit;
pbit->a = 0;
pbit->b &= 3;
pbit->c |= 1;
printf("%d,%d,%d\n", pbit->a, pbit->b, pbit->c);
return 0;
}

位域的对齐
如果结构体中含有位域(bit-field)，那么VC中准则是：
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（不同位域字段存放在不同的位域类型字节中），Dev-C++和GCC都采取压缩方式；
系统会先为结构体成员按照对齐方式分配空间和填塞（padding）,然后对变量进行位域操作
    位域的内存对齐有其特殊的地方，因为在对齐的过程中不仅穿插着数据的压缩，而且对齐也分为字段对齐和位域类型对齐两种。而这里的位域类型对齐实际上就是一般的数据内存对齐。具体的压缩与对齐规则如下：
1)压缩：如果相邻位域字段的位域类型相同，各个位域字段只占定义时的bit长度。
struct test1 {
    char    a : 2;
    char    b : 3;
    char    c : 1;
};
其大小为1 bytes，a和b和c在一个char中。
2)压缩和字段对齐：一个位域字段必须存储在其位域类型的一个单元所占空间中,不能横跨两个该位域类型的单元。也就是说，当某个位域字段正处于两个该位域类型的单元中间时，只使用第二个单元，第一个单元剩余的bit位置补（pad）0。
struct test2 {
    char    a : 2;
    char    b : 3;
    char    c : 7;
};
其大小为2 bytes，a和b在一个char中，c在第二个char中。
3)位域类型对齐：如果相邻的位域字段的类型不同，在不同的位域类型间，按通用的对齐规则进行不同数据类型间的对齐（注意，struct的长度是其内部最宽类型的整数倍）；同时在相同位域类型的字段间按以上两条规则对齐。
struct test3
{
    char a:1;
    char :2;
    long b:3;
    char c:2;
};
其大小为12bytes。
4)终止压缩：如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；
struct test3
{
    char a:1;
    char :2;
    long b;
    char c:2;
};
其大小为12bytes，如果注释掉long b，则为1byte。
顺便指出，没有位域名的位域字段是不能使用的，只是用来占位置。

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位域的符号特性
位域的符号特性，是说位域变量的正或者负的问题。当使用有符号类型来定义位域，并且使用到了正负（有意或者无意）特性作为判断条件时，就有问题了。

#include <iostream>
using namespace std;
class test
{
public:
test(int i1,int j1,int k1){
i = i1;
j = j1;
k = k1;
}
int i:1;
int j:2;
int k:13;
};
int main (){
test t((int)1,(int)2,(int)3);
cout<<t.i<<" "<<t.j<<" "<<t.k;
return 0;
}

上面这个程序的输出是-1 -2 3. 和我们预想的1，2，3不同。有符号数在机器中是以补码的形式存在的，其正负的判断有其规则。位域是以原码的形式来进行操作的，这中间有差异，造成了上面的结果。而关于位域的正负数判断，也不是简单的首bit的0或1来决定，否则上面的结果就应该是-1 -2 -3或者1 2 3了。位域的实现，是编译器相关的。建议是，使用位域不要使用正负这样的特性——理论上来说，应该只关注定义的那几个bit的0或者1，是无符号的。当然，像上面那条打印也没有使用正负特性。这就是无意识的过程中使用了正负特性。可以使用无符号类型来定义位域，这样不会产生正负号这样的问题。

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问题和总结
1.网上有一种说法是位域的长度不能跨字节，这是完全错误的。在压缩与对齐规则的第二条中说明了正确的规定。其实K&R中的原话是“is a set of adjacent bits within a single implementation-defined storage unit that we will call a ``word.''“。首先，word不是字节的意思，而这个word是不是两个字节，我看也不是。这里的word指的应该是同一种位域类型在不同系统中不同的实现长度。正因为如此，作者才用了implementation-defined这个词。以下是证明可以跨字节的例程：
#include
int  main()
{
    struct foo4 {
       char    a : 2;
       char    b : 3;
       int c : 18;
    };
    struct foo4 t;
    t.c = 50*1024;
    printf("%d",t.c);
    int len = sizeof(foo4);
    printf("%d",len);
    return 0;
}
输出t.c是51200，可以看出c可以取到18bits。
2. 因为在一个byte中，bit位也是有分big-endian和small-endian的，所以位域的移植性并不好。不过在嵌入式中由于有许多特定的设备，在此中可以尽情使用位域。
在本文中，位域类型就是数据类型，呵呵。位域可以看作是取值范围缩小了的位域类型，所有对位域类型能做的操作，对位域都能做。比较难的地方在于位域字段的压缩与对齐。嗯，还有signed和unsigned类型要特别注意。