简要分析C中结构的位域成员

    C/C++提供了一个内嵌的特征来访问字节中的为，即位域。位域很有用，因为：

    1）如果存储空间受限，可以在一个字节中存储多个布尔变量(真/假)。
    2）某些设备传输被编码为一个字节中的为的状态信息。
    3) 某些加密程序需要访问字节中的位。

    C/C++使用基于结构的方法来访问位。事实上，位域是结构成员的特殊类型，它以位(bit)为单位定义域的长度。

    位域定义的一般形式如下(C++风格)

    struct struct-type-name
    {
       type name1:length;
       type name2:length;
       ....
       type nameN:length;
    } variable_list;

    type是位域的类型，应该是_Bool(C99)、char、int和枚举等整型类型。
    length是位域的长度，要求是非负整型常量或表达式，并且值不能大于type所对应的位宽度。例如，char bit_field:9是无法通过编译的。
    另外，长度为1的位域应该声明为unsigned，因为单个位不能有符号。

    给位域赋值与给其他任何类型的结构成员赋值一样。

    位域并不一定要命名，这样可以跳过无用位，方便的使用希望的位。

    位域变量的使用有一些限制：

       1).不能使用位域变量的地址。
       2).位域变量不能构成数组。
       3).位域变量不能声明为静态的。
   
    特别的，位域的使用与机器的比特序有关。

    关于比特序和字节序之间的区别和联系，可以参考下文：
    http://www.linuxjournal.com/article/6788
    我的blog上有该文的翻译版，不过本人乃业余翻译者，不对翻译内容和质量作任何承诺和保证。
    http://blog.csdn.net/lovekatherine/archive/2007/04/14/1564731.aspx
后文重点分析位域与比特序的关系，以下面的小程序为例。

   


#include <stdio.h>


#include <string.h>




typedef struct _bitdomain






...{    




    unsigned char a:3;


    unsigned char b:5;




} X;






void display (char dst)




...{


   


   int i;


   unsigned int m=128;




   while(m)




   ...{


        printf("%u",(unsigned char)dst/m);


        dst%=m;


        m/=2;


   }




   printf(", ");


}




int main ()






...{




  X x;


  memset ( &x,0x0,sizeof(x));


  




  *( unsigned char *) &x=0xb4;






  printf("sizf of struct X :%d ", sizeof(x) );


  


  int size=sizeof(x);


  char * ch=(char*) &x;


  int i;




  for(i=0;i<size;i++)




  ...{     


        


    display( ch[i]);


  }


  


   


  printf(" ");


  




  printf("x.a=%u ",(unsigned char )x.a);


  printf("x.b=%u ",(unsigned char )x.b);


  




/**/ 


  return 1;




}



   
    运行环境：i386+ubuntu7.04+gcc4.1.2

    程序的输出结果为：
      
       x=10110100,
       x.a=100 (0x44),  
       x.b=10110(0xb),

    下面分析程序的输出：

    首先，结构X的大小为1字节。
    其次，i386架构下的字节序和比特序为小端，即高位字节(比特)存放在内存的高地址。

    可知x=0xb4在内存中的布局如下：

    bit      7   6   5   4   3   2   1   0
    value    1   0   1   1   0   1   0   0

    又根据Kevin定理#2：“在C中一个包含位域的结构中，如果位域A在位域B之前定义，那么位域A所占据的内存空间永远低于B所占用的内存空间。”
   
    可知x.a 对应位2～位0 ，x.b对应位7～位3，因此，按照高地址对应高位的关系，有

    x.a=100, x.b=10110

对上述程序进行局部修改，看看在位域长度超出8(1byte)时会是什么情形。


#include <stdio.h>


#include <string.h>




typedef struct _bitdomain






...{    


    unsigned short y:12;


    unsigned short z:4;






} X;






void display (char dst)




...{


   


   int i;


   unsigned int m=128;




   while(m)




   ...{


        printf("%u",(unsigned char)dst/m);


        dst%=m;


        m/=2;


   }




   printf(", ");


}




int main ()






...{




  X x;


  memset ( &x,0x0,sizeof(x));


  




  *( unsigned short *) &x=0x32b4;






  printf("sizf of struct X :%d ", sizeof(x) );


  


  int size=sizeof(x);


  char * ch=(char*) &x;


  int i;




  for(i=0;i<size;i++)




  ...{     


        


    display( ch[i]);


  }


  


   


  printf(" ");


  






  printf("x.y=%x ",(unsigned short)x.y);


  printf("x.z=%x ",(unsigned short)x.z);




  


  return 1;




}





 
程序的输出结果为：
   
    x=(0x32b4)
    x.y=0x2b4
    x.z=0x3
   (其中y、z分别定义为 unsigned short y:12和unsigned short z:4)

    和前例一样，仍然从x的内存布局入手。

    (不失一般性，假设x的地址为0X1000)

addr               0x1000                            0x1001 
bit    7   6   5   4   3   2   1   0     7   6   5   4   3   2   1   0  
vlaue  1   0   1   1   0   1   0   0     0   0   1   1   0   0   1   0

    同样依据Kevin定理#2,可知x.y对应地址0x1000的8bit和0x1001的位0～位3，x.z对应地址0x1001的位4～位7。

    因此,按照高地址对应高比特和高字节的关系,可得出：         ｀            x.y=001010110100=0x2b4,x.z=0011=0x3