C语言 位段_将结构体数据按照位段存入字节数组中

位段介绍

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。（来自：百度百科-位段）

位段的声明

主要介绍位段与结构体声明的不同
1.位段的成员必须是int、char、unsigned int、unsigned char
2.位段的成员名后有一个冒号和一个数字

位段声明示例

struct S
{
    unsigned char a:2;
    unsigned char b:5;
};
1
2
3
4
5

位段成员名后的数字表示每个成员变量占据的空间，单位是位，比如该例中的 a 是两位，b 是5位，此时的两个变量总共占据了不到一个字节的空间。
我们可以通过计算S的大小来确定使用位段是否能够节省内存。

int main()
{
    printf("struct S: %zd\n", sizeof(struct S));
    printf("unsigned char: %zd\n", sizeof(unsigned char));
    return 0;
}

1
2
3
4
5
6
7

sizeof 操作符计算的是数据类型占据内存的大小，单位是字节，可以看出，位段的确可以节省内存。

位段在内存中的存储

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a : 4;
	char b : 5;
	char c : 3;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S temp = { 0 };
	printf("temp : %d\n", sizeof(temp));
	temp.a = 10;
	temp.b = 15;
	temp.c = 7;
	temp.d = 3;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

temp的大小为3字节，但是a,b,c,d的位数加起来是16位，也就是2个字节，这说明位段并不是直接连续存储在内存中的。
可以通过调试对temp在内存中的存储进行进一步的观察。
首先(Fn+)F10，进行调试，在创建temp变量之后就可以打开调试->窗口->内存->内存1，然后在地址那里输入&temp，就可以观察temp变量的变化了。

继续(Fn+)F10，可以不断观察变化。在箭头指向temp.c的赋值语句时，temp.a的值是10，在内存中存储的是二进制，在VS这里是以16进制的方式显示的，也就是0a，temp.b的值是15，16进制就是0f，那个黄色的箭头代表将要执行的语句，也就是说此时的temp.c和temp.d还未赋值。

再(Fn+)F10，可以看到 0f 变成了 ef ，也就是说temp.b和temp.c是共用一个字节的内存。
temp.b : 0f(16进制) 00001111(2进制)
这个字节的大小变为ef，也就是11101111，而temp.c的大小刚好是7也就是111(2进制)，temp.b是5位，temp.c是3位。temp.c也就是temp.b所在的这一个字节的前面三位。

继续(Fn+)F10，03又是另外一个字节的内容了。
从这个例子中我们可以了解到位段存储的一些规则。

一个位段必须存储在一个存储单元内，不能跨两个单元，如果第一个单元不能容纳下一个位段，则该空间不用，而从下一个单元起存放该位段，对于这个存储单元，char类型的是1个字节，int类型是4个字节

为什么temp.a是0a不是a0呢？为什么是fe不是ef?

其实这个问题和大小端相似，可以对照着理解。

位段存储-大小端

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a : 4;
	char b : 5;
	char c : 3;
	char d : 4;
	char e : 5;
};
int main()
{
	struct S temp = { 0 };
	printf("temp : %zd\n", sizeof(temp));
	temp.a = 10;//0a
	temp.b = 15;//1110 1111
	temp.c = 7;//
	temp.d = 3;//03
	temp.e = 0x11;
	printf("%x\n", temp);//VS出现警告
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

该代码在S的定义中增加了语句 char e: 5; 让temp的大小达到4字节，以%x的形式打印temp.

输出结果中11是我们新加的代码temp.e = 0x11; 03ef0a是我们上面分析的代码，但是和我们在内存中看到的字节的顺序是相反的。
这里需要补充大小端的内容。
大端存储：数据的低位保存在内存的高地址中，数据的高位保存在内存的低地址中
小端存储：数据的高位保存在内存的高地址中，数据的高位保存在内存的低地址中
以数字 0x12 为例，其中的 2 就是低位，1就是高位，计算机在存储的时候可以选择将 1 存储在低地址，将 2 存储在高地址，这种就是大端存储；如果将 1 存储在高地址，将 2 存储在低地址，就是小端存储。
我们再次进行调试，并将内存窗口的列数改为1

通过调试，可以看到0a的地址最小，在我们的输出结果1103ef0a中，0a就是低位，表明了该电脑的存储方式是小端存储。

位段在一个字节中的存储

对于temp中的 b 和 c 来说，temp.b占了5位，temp.c占了3位，在使用temp.b的时候，我们只会使用temp.b的5个字节的内容，而在使用temp.c的时候，只会拿temp.c所在的3个字节的内容，那个变量在前或者在后对我们的使用没有影响。通过这个例子，可以得出结构体中在小端存储的电脑中，如果有多个变量共用一个字节，结构体中先定义的位段变量会存放在字节的低位，就像是temp.a在内存中是0a而不是a0一样。
对于大端存储的电脑，与小端存储的相反。

那么如果我们交换b和c的顺序，会出现fe吗？

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a : 4;
	char c : 3;
	char b : 5;
	char d : 4;
	char e : 5;
};
int main()
{
	struct S temp = { 0 };
	temp.a = 10;//0a
	temp.b = 15;//1110 1111
	temp.c = 7;//
	temp.d = 3;//03
	temp.e = 0x11;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

在结构体S中 a 和 c 是相邻的两个变量，a占4位，c占3位，temp.a和temp.c共用同一字节，因为结构体中先定义的a在字节的低位(小端存储)，后4位：temp.a : 10 : 1010 （二进制）: a（十六进制） ; 前4位中的后3位，temp.c : 7 : 111（二进制） : 7（十六进制），所以是7a。因为在刚开始的时候temp就被赋值成了0，所以前4位中的第一位是0。

如果此时再将a和c的位置交换一下结果会是什么呢？会出现a7吗？

#include<stdio.h>
struct S
{
	char c : 3;
	char a : 4;
	char b : 5;
	char d : 4;
	char e : 5;
};
int main()
{
	struct S temp = { 0 };
	temp.a = 10;//0a
	temp.b = 15;//1110 1111
	temp.c = 7;//
	temp.d = 3;//03
	temp.e = 0x11;
	return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

此时c是结构体中先定义的，所以第一个字节的后3位是c，也就是7：111（二进制），c变量前面的4位是a，就是10：1010（二进制），因为开始时，temp被初始化为0，该字节第一位没被赋值，保持不变，仍然是0，所以该字节的内容是01010111，就是57（16进制）。