最近实习接触到一个新的知识点，C/C++的位域结构体。
以下开始摘抄自：here
位段(bit-field)是以位为单位来定义结构体(或联合体)中的成员变量所占的空间。含有位段的结构体(联合体)称为位段结构。采用位段结构既能够节省空间，又方便于操作。
位段的定义格式为:
1 |
type [var]: digits |
其中type只能为int，unsigned int，signed int三种类型(int型能不能表示负数视编译器而定，比如VC中int就默认是signed int，能够表示负数)。位段名称var是可选参数，即可以省略。digits表示该位段所占的二进制位数。
举个例子，你可以这样定义一个位域结构体：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
// sizeof(A): 4
struct A
{
uint32_t a: 12;
uint32_t b: 10;
uint32_t c: 10;
};
// sizeof(B): 12
struct B
{
uint32_t a;
uint32_t b;
uint32_t c;
};
|
uint32_t实际上是unsigned int的别名，并且指定了用4个字节存储int类型的数据，而 1byte = 8bits, 4个字节共计32bits，结构体A使用了位域的方式，指定了每个成员所占用的bit数。可以看到，A中三个成员总共占用的比特数为32，也就是4个字节。所以结构体A所占用的空间就是4字节，而B没有使用位域，则3个成员各占4个字节，共计12字节。说白了，位域就是将结构体的成员在比特位上编排的更紧凑，更节省空间。
以下开启一段摘抄：
关于位域结构体有以下几点说明：(以下“位段就是位域”，c.f. ref1)
- 位段的类型只能是int，unsigned int，signed int三种类型，不能是char型或者浮点型；
- 位段占的二进制位数不能超过该基本类型所能表示的最大位数，比如在VC中int是占4个字节，那么最多只能是32位；
- 无名位段不能被访问，但是会占据空间；
- 不能对位段进行取地址操作；
- 若位段占的二进制位数为0，则这个位段必须是无名位段，下一个位段从下一个位段存储单元(这里的位段存储单元经测试在VC环境下是4个字节)开始存放；
- 若位段出现在表达式中，则会自动进行整型升级，自动转换为int型或者unsigned int。
- 对位段赋值时，最好不要超过位段所能表示的最大范围，否则可能会造成意想不到的结果。
- 位段不能出现数组的形式。
对于位段结构，编译器会自动进行存储空间的优化，主要有这几条原则:
- 如果一个位段存储单元能够存储得下位段结构中的所有成员，那么位段结构中的所有成员只能放在一个位段存储单元中，不能放在两个位段存储单元中；如果一个位段存储单元不能容纳下位段结构中的所有成员，那么从剩余的位段从下一个位段存储单元开始存放。(在VC中位段存储单元的大小是4字节).
如果一个位段结构中只有一个占有0位的无名位段，则只占1或0字节的空间(C语言中是占0字节，而C++中占1字节)；否则其他任何情况下，一个位段结构所占的空间至少是一个位段存储单元的大小；
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65
#include <iostream> using namespace std; // sizeof(A): 4 struct A { uint32_t a: 4; uint32_t b: 3; uint32_t c: 1; }; // sizeof(B): 12 struct B { uint32_t a; uint32_t b; uint32_t c; }; // sizeof(C): 8 struct C { uint32_t a: 1; uint32_t : 0; uint32_t c: 2; // 不会和a凑在一起，新开一个字节存 }; // sizeof(D): 12 struct D { uint32_t a: 1; uint32_t: 0; / 大专栏 位域结构体简介/ 隔断 uint32_t: 6; // 开启新的位域存储单元 uint32_t d: 32; // 前一个位域不够放，开启新的存放单元 }; // sizeof(E): 4 // 内存分布简图 // 0000 0000 0000 0000 // a--- b--- cd------- struct E { uint32_t a: 1; char b; // 隔断 uint32_t c: 1; // 在下一个存储单元 uint32_t d: 15; // 四个成员刚好占用32bits，即4个字节 }; template <typename T> void Print(const T&) { std::cout << sizeof(T) << std::endl; } // test int main() { A a; B b; C c; D d; E e; Print(a); // 4 Print(b); // 12 Print(c); // 8 Print(d); // 12 Print(e); // 4 return 0; }
以下测试用法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 |
#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;
// sizeof: 4
struct TcpMsgHead {
uint32_t length: 16;
uint32_t flags: 8;
int num: 8;
};
void Print(const TcpMsgHead& msg)
{
printf("length: %8dn", msg.length);
printf("flags: %8dn", msg.flags);
printf("num: %8dn", msg.num);
}
// test
int main()
{
TcpMsgHead head;
head.length = 0xffff; // 2^16 - 1 = 65535
head.flags = 0xff; // 2^8 - 1 = 255
head.num = 0xff;
Print(head);
return 0;
}
|
上述程序的输出为：
1 2 3 |
length: 65535 flags: 255 num: -1 |
解释一下为什么num成员的值为-1：
首先num设置的比特位为8，而num的类型为int，是有符号的。对于有符号的整数，计算机内部使用补码表示的。
0xff 换成二进制
1111 1111
这正好是-1的补码。
其实，Ycm给出的提示已经很明确了：
Ycm提示这里发生了隐式截断。255被截断成了-1. 如果换成 0x11 也就是二进制的 0001 0001, 则不会发生截断，因为8比特足够描述0x11，符号位是0，表示正数，所以这很符合我们的预期。但是如果再加一个2呢？
可以看到Ycm提示发生截断，
529被截断成了17, 即
0010 0001 0001 被截断成了 0001 0001
也就是说，我结构体定义的时候已经确定了num只有8比特位可以存。高于8比特的数据全都截断。如果最高位是1，则会被转成负数，这可能和你的预期不符。所以一定不要设置超过容量的数据。