C 语言位域（bit filed）

位域也叫做位段（bit field），使用位域能够节省结构体数据内存的占用。接下来，我们从以下几个方面来讲解下位域：

位域的作用
位域的语法
位域的存储

以下代码运行环境为：win10 专业版 + vs2019 社区版。

1. 位域的作用

位域是一个结构体，使用 struct 关键字来进行定义。请先看下面普通结构体的定义语法：

struct Student
{
	unsigned int age;
	unsigned int score;
	unsigned int grade;
	unsigned int gender;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Student) << endl;  // 输出：16
}

上述代码中，我们定义了一个 Student 结构体，其包含 4 个成员：age（年龄）、score（分数）、grade（年级）、gender（性别）。

其中每一个成员占用 4 个字节大小，那么整个 Student 占用 16 字节大小，64 个位大小。

我们通过分析发现：

假设：年龄 age 一般最小值为 0，最大值 100 左右即可，7 个比特位能够表示的最大值为 127，完全可以表示我们的年龄。不需要使用 4 字节，32 位来表示，浪费内存。
假设：分数 score 最小值是 0，最大值是 120。我们只需要 7 个位就能表示最大值 120，不需要使用 32 个位来表示。
假设：我们最多可能会有 15 个班级， grade 占用 4 个位就可以了，无需占用 32个位来表示。
性别 gender 只需要表示两个值，即 1 个位就可以，也无需占用 32 位。

如果按照我们的分析，则 Student 结构体占用的内存大小将会大大减少。

问题是：我们给变量分配内存的最小单位是字节。但是，我们希望按照位（bit）为单位来分配内存。这个有办法实现吗？可以的，使用结构体位域。

简言之：位域能够使得结构体成员能够以位（bit）为单位分配内存。

2. 位域的语法

位域语法我们从两个方面来讲解：位域的定义语法、位域的使用语法

2.1 位域定义语法

位域由三个部分组成：位域类型说明符、位域名、位域长度。我们将 Student 结构体中的成员修改为位域形式，请看下面的示例代码：

struct Student
{
	unsigned int age : 7;  
	unsigned int score : 7;
	unsigned int grade : 4;
	unsigned int gender : 1;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Student) << endl;  // 输出：4
}

修改成位域形式之后，Student 的大小从 16 字节变成了 4 字节，节省了内存。

我们以第 3 行代码为例，来讲解下位域各部分的规则和含义：

unsigned int 叫做位域类型说明符。
1. C 标准支持 signed int、unsigned int，很多编译器在这两个类型基础上扩展支持：char、unsigned char、short、unsigned short、_Bool 作为位域类型说明符。
2. 位域类型说明符中 signed 表示该位域字段可正、可负，unsigned 表示该字段智能存储正数。
3. 位域长度不能超过该类型的大小。即：如果位域类型说明符是 char 类型，则该位域长度不能超过 8 位；如果位域类型说明符是 int 类型，则该位域长度不能超过 32 位，以此类推…
age 叫做位域名，通过该名字访问该位域字段。位域的名字可以省略，此时不能访问该位域字段，但是仍然占用内存空间。
冒号后面的数字表示该位域的长度，单位是：bit（位），其最大值不能大于类型说明符的最大位长度。最小值可以为 0，这种情况下该位于名字必须为空。

2.2 位域使用语法

位域不能取地址。这是由于地址是以字节为单位编号，而位域字段不能保证占用完整的字节。
位域不能是数组形式。
位域的值不能超过其表示的范围，否则是未定义的。

请看下面的示例代码：

struct Student
{
	unsigned int age : 7;
	unsigned int score : 7;
	unsigned int grade : 4;
	unsigned int gender : 1;
};

void test()
{
	Student student;
	
	// 1. 成员访问
	student.age = 100;  // 正确
	student.age = 200;  // 超出表示范围结果未定义
	cout << student.age << endl;

	// 2. 不能对位域成员取地址
	// cout << &(student.age) << endl;   // 错误
}

3. 位域的存储

位域成员在存储的时候，有以下几种规则：

如果结构体中所有的位域成员的类型说明符相同，并且能够在一个存储单元中存储（类型说明符的大小为一个存储单元），这些成员会存储在同一个存储单元中。

struct Demo
{
	int a : 5;
	int b : 7;
	int c : 9;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Demo) << endl;  // 输出：4
}

Demo 的位域成员 a、b、c 的类型说明符相同，并且共占用（5 + 7 + 9 = 21）个位， 21 个位一起存储在同一个 int 类型（32位）的存储单元中。

2. 如果结构体中所有的位域成员的类型说明符相同，但是，一个存储单元无法容纳所有的位域成员，则后面的位域存储在一个新的存储单元中。

struct Demo
{
	int a : 5;
	int b : 25;
	int c : 9;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Demo) << endl;  // 输出：8
}

Demo 的位域成员 a 和 b 类型相同，其大小和为 30 位，小于存储单元的大小。所以，存储在同一个存储单元中。

c 占用 9 个位，在第一个存储单元中位置不足，所以，单独占用第二个存储单元。一个存储单元是最大的类型说明符大小（此处是 4），所以，Demo 共占用 8 个字节。

3. 如果存在匿名位域，下一个成员将会在新的存储单元中存储。

struct Demo
{
	int a : 5;
	int : 0;  // 无名位域
	int b : 6;
	int : 0;  // 无名位域
	int c : 9;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Demo) << endl;  // 输出：12
}

Demo 的位域成员 a 存储在第一个存储单元中，由于其后面出现无名位域，导致位域成员 b 存储在第二个存储单元中。此时，后面又碰到了无名位域，导致位域 c 存储在第三个存储单元中。

虽然 3 个位域成员大小为 5 + 6 + 9 = 20 能够存储在同一个存储单元种，但是由于无名位域的原因，导致位域成员 a、b、c 占用 3 个存储单元，即占用 12 字节的存储空间。

4. 如果相邻的位段的类型不同，下一个不同类型的成员需要存储在新的存储中。

struct Demo
{
	int a : 5;
	int b : 6;
	char c : 7;
	char d : 7;
};

void test()
{
	cout << sizeof(Demo) << endl;  // 输出：8
}

位域成员 a、b 同类型，并且大小和小于一个存储单元（位域成员中最大的类型），故而占用 4 字节内存空间。

位域成员 c 和前面两个成员不同，故而需要占用一个新的存储单元，d 和 c 的类型相同，所以占用同一个存储单元。

所以，最终 Demo 占用 2 个存储单元，即 8 字节。

最后，需要注意的是：位域的内存分配与内存对齐的实现方式依赖于具体的机器和系统，在不同的平台可能有不同的结果，这导致了位段在本质上是不可移植的。

至此，关于位域的内容讲解完毕，希望对你有所帮助！