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:
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|
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;
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#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:
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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。
Reference
原文地址:https://www.cnblogs.com/liuzhongrong/p/11874888.html