C語言之位段使用詳解

1、什麼是位段

在前面各章中, 我們已經討論過位元組概念了。在大多數的計算機系統中, 一個位元組是由八個更小的, 稱作為位的單位組成的。位是比位元組更小的單位。位只有兩個值, 1 或 0 。因此, 儲存在計算機儲存器中的一個位元組可以看成由八個二進位制數字形成的串。

例如, 一個存放值 36 的位元組是八個二進位制數字的串: 可以表示成 00100100。 存入值24 的位元組可以表示成 00010100。

有時, 我們希望不僅對位元組進行操作, 也要能對位進行操作。例如, 用布林真或假條件表示的標誌, 在計算機中可用位來表示。

但是, 說明一個用作標誌的普通變數至少要用一個位元組—8 位, 而在某些計算機系統中則可能是 16 位。 如果我們想在一個很大的表中儲存很多標誌, 那麼 “被浪費” 的記憶體空間是很可觀的。在 C 語言中, 一種方法是用叫做位段的構造型別來定義一個壓縮資訊的結構。

c831.jpg (4023 bytes)什麼是位段呢? 位段是 C 語言特有的資料結構, 它允許我們定義一個由位組成的段, 並可為它賦以一個名字。

2.位段的用法

我們已經瞭解什麼是位段了, 現在我們繼續討論位段的使用方法。

先看一個例子: 我們需要用到五個變數。 假定, 其中三個用作標誌, 稱為 f1, f2 和 f3。
第四個稱為 type, 取值範圍為 1 至 12。 最後一個變數稱為 index, 值的範圍為 0 至 500。

通常, 我們用下面的語句來說明這些變數:
char f1,f2,f3;
unsigned int type;
unsigned int index;

但是, 實際上標誌 f1, f2, f3 分別只需要 1 位。變數 type 只需要 4 位, 而變數 index 只需要 9 位。 總共是 16位 —- 2 個位元組。我們用兩個位元組就夠了。

我們可這樣來做:
struct packed_struct
{
unsigned int f1 :1;
unsigned int f2 :1;
unsigned int f3 :1;
unsigned int type :4;
unsigned int index :9;
};

該例中, 我們定義了一個結構 packed_struct。該結構定義了五個成員。第一個成員叫做 f1, 是 unsigned int 型別的。緊跟在該成員名之後的 :1 規定了它以 1 位存放。類似地, 標誌 f2 和 f3 被定義為長度只有 1 位的。定義成員 type 佔有 4 位。定義成員 index 佔有 9 位。C 編譯器自動地把上面的位段定義壓縮在一起。位段的劃分如圖所示。packed_struct 總共使用了 16 位。

這種方法的好處是, 定義成 packed_struct 型別的變數的位段, 可以如引用一般的結構成員一樣方便地引用。同時, 使用了更少的記憶體單元數。

我們已經定義了一個稱作為 packed_struct 的包含著位段的結構。現在, 我們象下面那樣定義一個稱作為 packet_data 的變數: struct packed_struct packed_data; 於是, 我們就可以用簡單的語句, 把 packed_data 的 type 位段設定為 7:
packed_data.type = 7; 類似地, 我們可以用下面的語句把這個位段的值設為 n:
packed_data.type = n; 我們不必擔心 n 的值太長, 以致不能放入 type 位段中, C 編譯器會自動地僅取出 n 的低四位, 把它賦值給 packed_data.type。取出位段的值也自動地處理的, 因此語句 n = packed_data.type; 將從 packed_data 中取出 type 位段, 並把它的值賦給 n。

在一般的表示式中可以使用位段, 此時, 位段自動地轉換成整數。因此, 表示式
i = packed_data.index/5+1; 是完全有效的。

在包含位段的結構中, 也可以包括 “通常的” 資料型別。因此, 如果我們想定義一個結構, 它包含一個 int, 一個 char, 和二個 1 位的標誌, 那麼, 下面的定義是有效的:
struct table_entry
{
int count ;
char c;
unsigned int f1 :1;
unsigned int f2 :1;
};

當位段出現在結構定義中時, 它們就被壓縮成字。如果某個位段無法放入一個字中, 那麼該字的剩餘部分跳過不用, 該位段被放入下一個字中。

使用位段時, 必須注意下列事項:

在某些機器上, 位段總是作為 unsigned 處理, 而不管它們是否被說明成 unsigned 的。

大多數C 編譯器都不支援超過一個字長的位段。

位段不可標明維數; 即, 不能說明位段陣列, 例如 flag:l[2]。

最後, 不可以取位段地址。原因是, 在這種情況不, 顯然沒有稱作為 “位段指標” 型別的變數。