C 语言位域（bit filed）

位域也叫位段（bit field），它的好处是能帮我们节省结构体占用的内存。这一节我们围绕下面几点来展开：

位域的作用
位域的语法
位域的存储

下面示例代码的运行环境是：win10 专业版 + vs2019 社区版。

1. 问题场景

位域本质上还是一个结构体，用 struct 关键字定义。我们先看一个普通结构体是怎么定义的：

#include <stdio.h>

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

void test()
{
	printf("Student 大小: %llu\n", sizeof(struct Student));
}

int main()
{
    test();
    return 0;
}

程序运行后输出：

Student 大小: 16

运行完这段代码，我们会发现一个值得琢磨的问题：

我们定义了一个 Student 结构体，里面有 4 个成员：age（年龄）、score（分数）、grade（年级）、gender（性别）。

每个成员都是 unsigned int，占 4 个字节，于是整个 Student 一共占 16 个字节，也就是 64 个 bit。

可是我们仔细一算，会发现空间用得太奢侈了：

age 字段：年龄最小是 0，最大到 100 左右就够了。7 个 bit 能表示的最大值是 127，装下年龄绰绰有余，根本用不着 4 个字节 32 位，白白浪费。
score 字段：分数从 0 到 120，7 个 bit 就能表示到 120，同样用不着 32 位。
grade 字段：班级最多也就 15 个左右，4 个 bit 足够表示，也不用占 32 位。
gender 字段：性别只有男女两种取值，1 个 bit 就够了。

如果真按上面这样精打细算，Student 占用的内存能少一大截。

可问题来了：我们给变量分配内存，最小单位是字节，没法直接按 bit 分配。那能不能让结构体成员按 bit 来占位呢？可以，这就要用到结构体位域。

说白了，位域就是让结构体成员以 bit 为单位来分配内存。

2. 位域使用

位域的用法，我们分两部分讲：先看怎么定义，再看怎么使用。

2.1 定义语法

一个位域由三部分组成：位域类型说明符、位域名、位域长度。我们把 Student 的成员改写成位域的形式，看下面这段代码：

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
}

改成位域之后，Student 从 16 字节缩到了 4 字节，内存一下子省了不少。

我们拿第 3 行 age 那一句来说，拆解开看看每部分的规则和含义：

unsigned int 叫做位域类型说明符。
1. C 标准规定位域类型说明符可以是 signed int、unsigned int，很多编译器在这两个基础上还扩展支持了 char、unsigned char、short、unsigned short、_Bool。
2. 其中 signed 表示这个位域可正可负，unsigned 表示它只能存正数。
3. 位域长度不能超过该类型本身的位数。即：类型说明符是 char，位域长度就不能超过 8 位，类型说明符是 int，位域长度就不能超过 32 位，其余以此类推。
age 叫做位域名，我们就是通过这个名字去访问这个位域字段的。位域名也可以省略，省略之后没法再访问这个字段，但它依然占着内存。
冒号后面的数字表示这个位域的长度，单位是 bit。它的最大值不能超过类型说明符的位数，最小值可以是 0，长度为 0 时这个位域必须是无名的。

2.2 使用语法

位域不能取地址。原因是地址是按字节编号的，而位域字段不一定正好占满一个字节。
位域不能做成数组的形式。
给位域赋的值不能超过它能表示的范围，否则结果是未定义的。

看下面这段示例：

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. 位域存储

位域成员在内存里怎么摆放，有下面几条规则：

如果结构体里所有位域成员的类型说明符相同，而且能塞进同一个存储单元（存储单元的大小就是类型说明符的大小），它们就会被放进同一个存储单元里。

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

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

Demo 的 a、b、c 类型说明符相同，加起来占 5 + 7 + 9 = 21 个 bit，21 位还装得进一个 int（32 位）的存储单元，于是它们挤在同一个单元里。

2. 如果位域成员的类型说明符都相同，但一个存储单元装不下全部，那么装不下的部分会放到一个新的存储单元里。

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

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

Demo 里 a 和 b 类型相同，加起来 30 位，还没超过一个存储单元，所以它俩放进同一个单元。

c 占 9 个 bit，第一个单元已经放不下了，于是单独占用第二个存储单元。一个存储单元的大小取最大类型说明符的大小，这里是 4 字节，所以 Demo 一共占 8 个字节。

3. 结构体里一旦出现匿名位域，它后面的成员就会放到新的存储单元里。

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 里 a 放在第一个存储单元，它后面紧跟着一个无名位域，于是 b 被挤到第二个存储单元。之后又遇到一个无名位域，c 只好放进第三个存储单元。

其实 a、b、c 加起来 5 + 6 + 9 = 20 位，本来一个存储单元就装得下，但因为两个无名位域把它们强行拆开，最后 a、b、c 占了 3 个存储单元，也就是 12 个字节。

4. 如果相邻位域的类型不同，类型一换，后面的成员就要放到新的存储单元里。

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

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

a、b 类型相同，加起来的位数小于一个存储单元（取位域里最大的那个类型），所以占 4 个字节。

c 和前面两个成员类型不一样，于是另起一个存储单元，d 跟 c 同类型，就跟 c 挤在同一个单元里。

算下来，Demo 一共占 2 个存储单元，也就是 8 个字节。

最后提醒一点：位域的内存分配和内存对齐方式跟具体机器和系统有关，换个平台结果可能就不一样，所以位域本质上是不可移植的。

至此，位域这一节就讲到这里。