理解’位域’

六月 19, 2006

这也是在ChinaUnix上看了几篇关于C语言'位域(Bit Fields)'的帖子之后，才想写下这篇文章的。其实在平时的工作中很少使用到'位域'，我是搞服务器端程序设计的，大容量的内存可以让我毫不犹豫的任意'挥霍'^_^。想必搞嵌入式编程的朋友们对位域的使用应该不陌生吧。这里我也仅仅是凭着对C语言钻研的兴趣来学习一下'位域'的相关知识的，可能有些说法没有实践，缺乏说服力。

具体也不是很清楚当年C语言的创造者为什么要加入位域这一语法支持，那是太遥远的事情了，我们不需要再回顾了，既然大师们为我们创造了它，我们使用便是了。

毋庸置疑，位域的引入给用户的最大的好处莫过于可以有效的利用'昂贵'的内存和操作bit的能力了。而且这种操作bit位的能力很是方便，利用结构体域名即可对这些bit进行操作。例如：

struct foo {
int a : 1;
int b : 2;
short c : 1;
};

struct foo aFoo;
aFoo.a = 1;
aFoo.b = 3;
aFoo.c = 0;

通过结构体实例.域名即可修改某些bit得值，这些都是编译器的'甜头'。当然我们也可以自己通过一些'掩码'和移位操作来修改这些bit，当然如果不是十分需要，我们是不需要这么做的。

位域还提供一种叫'匿名'位域的语法，它常用来'填缺补漏'，由于是'匿名'，所以你不能像上面那样去访问它。如：
struct foo1 {
int a : 1;
int : 2;
short c : 1;
};
在foo1的成员a和c之间有一个2 bits的匿名位域。

在foo结构体的定义中，成员a虽然类型为int，但是它仅仅占据着4个字节中的一个bit的空间；类似b占据2个bit空间，但是b到底是占据第一个int的2个bit空间呢还是第二个int的2个bit空间呢？这里实际上也涉及到如何对齐带有'位域'的结构体这样一个问题。我们来分析一下。

我们再来看看下面两个结构体定义：
struct foo2 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 1;
};

struct foo3 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        char    c : 7;
};
我们来打印一下这两个结构体的大小，我们得到的结果是：
sizeof(struct foo2) = 1
sizeof(struct foo3) = 2
显然都不是我们期望的，如果按照正常的内存对齐规则，这两个结构体大小均应该为3才对，那么问题出在哪了呢？首先通过这种现象我们可以肯定的是：带有'位域'的结构体并不是按照每个域对齐的，而是将一些位域成员'捆绑'在一起做对齐的。以foo2为例，这个结构体中所有的成员都是char型的，而且三个位域占用的总空间为6 bit 8 bit(1 byte)，这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的，这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐，而c单独拿出来以char类型做对齐，这样实际上在b和c之间出现了空隙，但这也是最节省空间的方法了。我们再看一种结构体定义：

struct foo4 {
        char    a : 2;
        char    b : 3;
        int c : 1;
};

在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte)，但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？我们打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为4，也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。

通过上面的例子我们发现很难总结出很规律性的东西，但是带有'位域'的结构体的对齐有条原则可以遵循，那就是："尽量减少结构体的占用空间"。当然显式的使用内存对齐的机会也并不多。^_^