深入理解linux C语言位段的实现（x86 & ARM）

首先，如果你不知道位段(也叫位域)的概念，请自行学习，本文不再赘述。

---

X86篇(调式环境：ubuntu-12.04(32位) \ GCC-4.8.1)

---

    OK，废话不多说，先上测试代码：

#include <stdio.h>

struct test {
    int a:4；    //4 bit
    int b:10;    //10 bit
    int c:6;     //6 bit
    int d:12;    //12 bit
}tmp;

int main(void)
{
    tmp.a = 11;
    tmp.b = 12;
    tmp.c = 13;
    tmp.d = 14;

    printf("sizeof = %d\n", sizeof(struct test));

    return 0;
}

首先，定义一个结构体变量tmp，该结构体包含四个位段元素，主函数分别对这个结构体变量的4个成员赋值，接下来我们使用GCC将该段代码编译成汇编文件。

yunyafeng@x3650-m4-ip202:~$ vim test.c
yunyafeng@x3650-m4-ip202:~$ gcc -S test.c
yunyafeng@x3650-m4-ip202:~$

生成的汇编文件代码如下：

    .file    "test.c"
    .comm    tmp,4,4        @这个地方就是我们的tmp变量，一共占4个字节的空间
    .section    .rodata
.LC0:
    .string    "sizeof = %d\n"
    .text
    .globl    main
    .type    main, @function
main:                        @main函数开始
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl    %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    andl    $-16, %esp
    subl    $16, %esp       @在这之前都是main函数执行的准备工作

    @整个结构体的赋值是从这里开始
    movzbl    tmp, %eax
    andl    $-16, %eax
    orl    $11, %eax
    movb    %al, tmp
    movzwl    tmp, %eax
    andw    $-16369, %ax
    orb    $-64, %al
    movw    %ax, tmp
    movl    tmp, %eax
    andl    $-1032193, %eax
    orl    $212992, %eax
    movl    %eax, tmp
    movzwl    tmp+2, %eax
    andl    $15, %eax
    orb    $-32, %al
    movw    %ax, tmp+2
    @结构体赋值到此结束

    movl    $4, 4(%esp)
    movl    $.LC0, (%esp)
    call    printf
    movl    $0, %eax
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (Ubuntu 4.8.1-2ubuntu1~12.04) 4.8.1"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

---

首先我们应该清楚tmp这个变量在内存中到底是则么存的，看下图：
为了方便我们用以下四种颜色(不要问我什么颜色 我也不认识 能看到就好)分别代表tmp中的 a ，b， c， d元素。
初始值我们也不知道是多少就用x表示
31  (高地址)----------->

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

c

c

c

c

c

c

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

a

a

a

a

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

结构体的第1个元素位于最低地址处，依次类推。

---

好的 我们接下来一步一步的分析，首先是结构体中的第1个元素tmp.a的赋值过程;

    movzbl    tmp, %eax
    andl    $-16, %eax
    orl    $11, %eax
    movb    %al, tmp

这4行代码为第一个元素赋值的过程，其中：
第1条指令：将tmp的第一个字节以高位补0的方式放入eax寄存器中。
    此时：eax值：（00000000 00000000 00000000 xxxx xxxx）

第2条指令：将eax中的值与-16（11111111 11111111 11111111 1111 0000）进行位与操作，将结果存入eax中。所以此操作是将eax的最低4位清空。
    此时：eax值：（00000000 00000000 00000000 xxxx 0000）

第3条指令：将eax中的值与11进行位或操作，将结果存入eax中。也就是给eax的最低4位中写入11。
    此时：eax值：（00000000 00000000 00000000 0000 1011）

第4条指令：将al(eax的最低8位：0000 1011)中的值回写到tmp的第一个字节中，此时内存中的值为：

---

31  (高地址)----------->

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

c

c

c

c

c

c

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

a

a

a

a

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

0

0

0

0

1

0

1

1

可见第一条赋值语句tmp.a = 11;执行完成。

---

第2个元素tmp.b的赋值过程：

    movzwl    tmp, %eax
    andw    $-16369, %ax
    orb    $-64, %al
    movw    %ax, tmp

第1条指令：将tmp的前2个字节以高位补0的方式放入eax寄存器中。
    此时：eax值：（00000000 00000000 xx xxxxxx0000 1011）

第2条指令：将ax(eax的低16位)中的值与-16369（11 0000000000 1111）进行位与操作，将结果存入ax中。所以此操作是将eax的4-13位清空。（该条指令操作数长度为16位）
    此时：eax值：（00000000 00000000 xx 0000000000 1011）

第3条指令：将al(eax的最低8位)中的值与-64(1100 0000)进行位或操作，将结果存入al中。也就是给eax的4-7位中写入12。（操作数长度为8位）
    此时：eax值：（00000000 00000000 xx 0000001100 1011）

第4条指令：将ax(eax的低16位：xx 0000001100 1011)中的值回写到tmp的前2个字节中，此时内存中的值为：

---

31  (高地址)----------->

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

c

c

c

c

c

c

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

a

a

a

a

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

tmp.b = 12;执行完成。

---

第3个元素tmp.c的赋值过程：

    movl    tmp, %eax
    andl    $-1032193, %eax
    orl    $212992, %eax
    movl    %eax, tmp

第1条指令：将tmp里的值放入eax寄存器中。
    此时：eax值： (xxxxxxxxxxxx xxxxxx 0000001100 1011)

第2条指令：将eax中的值与-1032193(111111111111 000000 1111111111 1111)进行位与操作，将结果存入eax中。所以此操作是将eax的14-19位清空。
     此时：eax值： (xxxxxxxxxxxx 000000 0000001100 1011)

第3条指令：将eax中的值与212992 (000000000000 001011 0000000000 0000)进行位或操作，将结果存入eax中。也就是给eax的14-19位中写入12。（操作数长度为8位）
    此时：eax值： (xxxxxxxxxxxx 001011 0000001100 1011)

第4条指令：将eax中的值：(xxxxxxxxxxxx 001011 0000001100 1011)写到tmp的内存中，此时内存中的值为：

---

31  (高地址)----------->

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

c

c

c

c

c

c

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

a

a

a

a

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

tmp.c = 13;执行完成。

---

第4个元素tmp.d的赋值过程：

    movzwl    tmp+2, %eax
    andl    $15, %eax
    orb    $-32, %al
    movw    %ax, tmp+2

第1条指令：将tmp+2的（tmp的最高16位）的值以高位补0的方式放eax寄存器中。
    此时：eax值： (00000000 00000000 xxxxxxxxxxxx 0010)

第2条指令：将eax中的值与15(00000000 00000000 000000000000 1111)进行位与操作，将结果存入eax中。所以此操作是将eax的5- 31位清空。
     此时：eax值： (00000000 00000000 000000000000 1111)

第3条指令：将eax中的值与-32 (1110 0000)进行位或操作，将结果存入eax中。也就是给eax的4-7位中写入14。（操作数长度为8位）
 此时：eax值： (00000000 00000000 000000001110 0010）

第4条指令：将ax(eax的低16位: 000000001110 0010)中的值回写到tmp+2地址处（tmp的高16位），此时内存中的值为：

---

31  (高地址)----------->

d	d	d	d	d	d	d	d	d	d	d	d	c	c	c	c	c	c	b	b	b	b	b	b	b	b	b	b	a	a	a	a
0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	0	0	0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	1	0	1	1

tmp.d = 14;执行完成。 

---

到此结构体的所有成员赋值完毕。

总结：
    在linux下， gcc对于位段的实现是靠位运算完成的，一个位段的赋值过成需要分解成多条指令来完成。可见位段的使用其实是节省了内存空间，但是节省空间是靠牺牲速度换来的。所以对于位段的使用还要根据实际情况来决定。


本文地址：http://blog.chinaunix.net/uid-30195520-id-4947212.html

---

ARM篇(调式环境：ubuntu-12.04(32位) \ arm-linux-eabi-gcc 4.4.1)

---

待补充.....（其实原理差不多只不过指令集机不一样，有时间再写）