位域的存储完美压缩空间

C语言标准并没有规定位域的具体存储方式,不同的编译器有不同的实现,但它们都尽量压缩存储空间。



位域的具体存储规则如下:

1) 当相邻成员的类型相同时,如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员紧邻前一个成员存储,直到不能容纳为止;如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员将从新的存储单元开始,其偏移量为类型大小的整数倍。



以下面的位域 bs 为例:


  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 6;
  6. unsigned n: 12;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d ", sizeof(struct bs));
  10.  
  11. return 0;
  12. }

运行结果: 4 m、n、p 的类型都是 unsigned int,sizeof 的结果为 4 个字节(Byte),也即 32 个位(Bit)。m、n、p 的位宽之和为 6+12+4 = 22,小于 32,所以它们会挨着存储,中间没有缝隙。

sizeof(struct bs) 的大小之所以为 4,而不是 3,是因为要将内存对齐到 4 个字节,以便提高存取效率,这将在《C语言内存精讲》专题的《C语言内存对齐,提高寻址效率》一节中详细讲解。

如果将成员 m 的位宽改为 22,那么输出结果将会是 8,因为 22+12 = 34,大于 32,n 会从新的位置开始存储,相对 m 的偏移量是 sizeof(unsigned int),也即 4 个字节。 如果再将成员 p 的位宽也改为 22,那么输出结果将会是 12,三个成员都不会挨着存储。 2) 当相邻成员的类型不同时,不同的编译器有不同的实现方案,GCC 会压缩存储,而 VC/VS 不会。 请看下面的位域 bs:


  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 12;
  6. unsigned char ch: 4;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d ", sizeof(struct bs));
  10.  
  11. return 0;
  12. }

在 GCC 下的运行结果为 4,三个成员挨着存储;在 VC/VS 下的运行结果为 12,三个成员按照各自的类型存储(与不指定位宽时的存储方式相同)。

m 、ch、p 的长度分别是 4、1、4 个字节,共计占用 9 个字节内存,为什么在 VC/VS 下的输出结果却是 12 呢?这个疑问将在《C语言和内存》专题的《C语言内存对齐,提高寻址效率》一节中为您解开。

3) 如果成员之间穿插着非位域成员,那么不会进行压缩。例如对于下面的 bs:


  1. struct bs{
  2. unsigned m: 12;
  3. unsigned ch;
  4. unsigned p: 4;
  5. };

在各个编译器下 sizeof 的结果都是 12。 通过上面的分析,我们发现位域成员往往不占用完整的字节,有时候也不处于字节的开头位置,因此使用&获取位域成员的地址是没有意义的,C语言也禁止这样做。地址是字节(Byte)的编号,而不是位(Bit)的编号。

无名位域

位域成员可以没有名称,只给出数据类型和位宽,如下所示:


  1. struct bs{
  2. int m: 12;
  3. int : 20; //该位域成员不能使用
  4. int n: 4;
  5. };

无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称,无名位域不能使用。 上面的例子中,如果没有位宽为 20 的无名成员,m、n 将会挨着存储,sizeof(struct bs) 的结果为 4;有了这 20 位作为填充,m、n 将分开存储,sizeof(struct bs) 的结果为 8。

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