一， 位段的解釋

下面是維基百科對位段的解釋:

??位段（或稱“位域”，Bit field）為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以把數(shù)據(jù)以位的形式緊湊的儲存，并允許程序員對此結(jié)構(gòu)的位進行操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好處：

• 可以使數(shù)據(jù)單元節(jié)省儲存空間，當程序需要成千上萬個數(shù)據(jù)單元時，這種方法就顯得尤為重要。
• 位段可以很方便的訪問一個整數(shù)值的部分內(nèi)容從而可以簡化程序源代碼。

??而位域這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺點在于，其內(nèi)存分配與內(nèi)存對齊的實現(xiàn)方式依賴于具體的機器和系統(tǒng)，在不同的平臺可能有不同的結(jié)果，這導致了位段在本質(zhì)上是不可移植的

二， 位段的聲明和使用

• 雖然位段可以決定用多少位來儲存數(shù)據(jù)，但是切不可認為位段就是可以自定義一個數(shù)據(jù)類型。位段是依賴結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)的，我們可以認為位段是可以將一個盒子里面格子自定義大小。
  

位段的聲明：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

需要注意的是：

• 這里面的數(shù)字代表的不是字節(jié)，是比特（bit）。
• 位段成員的類型只能是整型家族的，例如：int, unsigned int, signed int, char。

位段的使用：

int main()
{
	struct A a;
	a._a = 2;
	a._b = 3;
	a._c = 5;
	a._d = 10;
	return 0;
}

相當于實例化后的a里面的不同大小的內(nèi)存里放入了數(shù)據(jù)。

三，位段的空間大小計算

因為不同平臺上的規(guī)則都是不太一樣的，計算出來的結(jié)果也會有些許差異，以下使用vs2022的x64環(huán)境下運行的
例如：

第一個例子：

#include <stdio.h>
struct A
{
	int _a : 2;//二進制位
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct A));
	return 0;
}

上面代碼的輸出結(jié)果是8。

• 聲明類型是int類型的，所以一開始先開辟4個字節(jié)的內(nèi)存，也就是32bit。
• _a用掉了2bit，還剩下30bit。
• _b用掉了5bit，還剩下25bit。
• _c用掉了10bit,還剩下15bit。
• _d需要30bit的空間，但是預(yù)先開辟的空間只剩下15bit，所以我們還需要再開辟一個int大小的空間，之前剩下的15bit的空間選擇不使用，_d的30bit全放在第二個空間內(nèi)。
• 結(jié)果為8

第二個例子：

#include <stdio.h>
struct B
{
	int _a : 30;//二進制位
	int _b : 4;
	int _d : 32;
};

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct B));
	return 0;
}

• 聲明類型是int類型的，所以一開始先開辟4個字節(jié)的內(nèi)存，也就是32bit。
• _a用掉了30bit，還剩下2bit。
• 由于只剩下2bit，_b需要4bit，所以舍棄2bit，再開辟一個32bit空間， _b用掉了4bit，還剩下28bit。
• 由于只剩下28bit，_d需要32bit，所以舍棄28bit，再開辟一個32bit空間，_d用掉了32bit
• 總共開辟了3次int類型的空間，所以結(jié)果為12

注意：

??大家有沒有發(fā)現(xiàn)，我們在聲明位段的時候，如果定義的是int，那么冒號后面跟上的數(shù)字不能超過32，如果定義的是char，那么冒號后面跟上的數(shù)字不能超過8。如果超過以后，就會報出以下錯誤：

??其實根據(jù)內(nèi)存對齊原則，如果超出以后，處理器就需要訪問兩次才能完整的得到數(shù)據(jù)。所以在定義的時候，應(yīng)該避免超出應(yīng)有的內(nèi)存大小。

四， 位段的內(nèi)存分配

• 位段分配的內(nèi)存中的比特位是從左向右使用的，還是從右向左使用的呢？
• 如何證明內(nèi)存分配剩余的比特位不夠使用時，是繼續(xù)使用還是浪費掉呢？

接下來我們分析：
用例代碼：

#include <stdio.h>
struct A
{
	char _a : 3;
	char _b : 4;
	char _c : 5;
	char _d : 4;
};
int main()
{
	struct A a = {0};
	a._a = 10;
	a._b = 12;
	a._c = 3;
	a._d = 4;
	return 0;
}

我們假設(shè)：位段分配的內(nèi)存中的比特位是從右向左使用的，分配剩余的比特位不夠使用時，浪費掉剩余內(nèi)存。
則：

• 我們先定義位段，如下圖：
  
• 執(zhí)行程序：a._a = 10; 10的二進制為1010，放入_a中，由于_a只有3bit，需要截斷，所以舍棄最高位1，放入010：

• 執(zhí)行程序：a._b = 12;,12的二進制為1100，剛好可以放入，如下圖：
  
• 執(zhí)行程序：a._c = 3;，3的二進制為11，由于_c有5bit，高位添0，放入00011，如下圖：
  
• 執(zhí)行程序：a._d = 4;，4的二進制為100,放入0100，如下圖：
  
• 程序就基本執(zhí)行完了，那么內(nèi)存中是什么樣的呢？根據(jù)上面分析，我們一開始給結(jié)構(gòu)體初始化為0，我們可以得到：
  
  ??由于機器是小端存儲，所以內(nèi)存上應(yīng)該是：62 03 04.
  經(jīng)過調(diào)試，可以看到：
  

??以上也證明了， 在VS2022上，位段分配的內(nèi)存中的比特位是從右向左使用的，分配剩余的比特位不夠使用時，浪費掉剩余內(nèi)存，重新開辟新的空間。

當然，不同平臺得到的結(jié)果也可能會不同，這正是位段的缺點，可移植性差，接下來我們看看位段的跨平臺問題。

五，位段的跨平臺問題

1. int 位段被當成有符號數(shù)還是無符號數(shù)是不確定的。
2. 位段中最大位的數(shù)目不能確定。(16位機器最大16,32位機器最大32，寫成27，在16位機器會出問題)。
3. 位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配還是從右向左分配的標準尚未定義。
4. 當一個結(jié)構(gòu)包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納打一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。

總結(jié)：跟結(jié)構(gòu)相比，位段可以達到同樣的效果，并且可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺的問題存在。

六， 位段的應(yīng)用

位段由于跨平臺的問題，真正的用途的其中一個是計網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)報：

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