结构体的简单介绍(4)——位段

news/2024/6/17 2:23:27 标签: 算法, 数据结构, c语言, 数据存储

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位段的概念:

位段的内存分配:

问题1:当开辟了内存后,内存中每个比特位从右向左使用?还是从左向右使用? 这个不确定。

问题2:当前面时候,剩余的空间不足下一个成员使用的时候,剩余的空间是否使用?这个不确定。

探究VS中的位段内存分布情况:

位段的跨平台问题:

注意事项:

热知识:



位段的概念:

位段的声明和结构是类似的,有两个不同:

  1. 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ,在C99中位段成员的类型也可以 选择其他类型。
  2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。 

比如:

位段:
struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};


结构体:
struct A
{
 int _a;
 int _b;
 int _c;
 int _d;
};

以上代码分别是位段和结构体的对比,可以看出位段其实是基于结构体的。

位段的目的:

位段的出现,是为了节省空间的,而且位段中的位其实是比特位,或者说是二进制位。

比如:

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

上一串代码中,int_a:2; 中的2其实是表示两个比特位,也就是两位二进制。

而整个两个比特位的本质是:当我们给一个变量赋值时,这个数值在32位比特位中其实只需要两个比特位就能表达这个值是谁,例如我们本来是要给a赋值1,但1的二进制表达是01,只需要两个比特位就能表达1,而剩下的32位就会被浪费,造成空间的损失。

 以此类推,其他成员分别占据,5个比特位,10个比特位,30个比特位。

因为位段的目的是节省空间,所以整个位段的字节大小应该就是2+5+10+30=47个比特位。

按照一个字节等于八个比特位的运算原理,我们可以得到差不多6个字节。

和同样类型的成员,但并不是位段的结构体进行对比:

struct A
{
 int _a;
 int _b;
 int _c;
 int _d;
};

根据结构体的对齐规则,以上结构体需要在内存中占据16个字节,和位段相比起来,位段确实是节约了空间。

但是,位段真的如我们所算计的一样,是所有比特位相加而后在进行比特位和字节的换算吗?

答案并不是。

我们先后求以上两个代码,得到以下结果:

 没错,位段其实实际上所占据的字节是八个!

这里涉及了位段的内存分配问题。

 

位段的内存分配:

分配规则:

  1. 位段的成员可以是int unsigned int signed int 或者是char 等类型
  2. 位段的空间上是按照需要以4个字节 ( int )或者1个字节(char )的方式来开的。
  3. 位段涉及很多不确定因素,位段是不跨平台的,注重可移植的程序应该避免使用位段。

从规则得知,位段是根据成员的变量来进行开辟空间的,而不是将所有的比特位放置一个空间内,是先开辟对应类型的空间后再放置内容。

但是开辟空间后也会产生一系列的问题,这也是位段的不确定因素的原因。

问题1:当开辟了内存后,内存中每个比特位从右向左使用?还是从左向右使用? 这个不确定。

例如:

struct S
{
 char _a:3;
 char _b:4;
 char _c:5;
 char _d:4;
};

因为是char类型,占据一个字节,也就是八个比特位,所以我们率先开辟八个比特位空间。

 

那么问题来了,变量a是只能放置三个比特位再这一个字节中,但我们是从空间的右边往左边放,还是从字节的左边往右边放?

如果,从空间的右边往左边放,分别放了a(三个比特位)和b(四个比特位),那么剩下的那一个比特位(一个字节一共八个比特位),是否需要放置下一个变量的比特位?

问题2:当前面时候,剩余的空间不足下一个成员使用的时候,剩余的空间是否使用?这个不确定。

若我们下一个变量c(五个比特位)在开辟一个空间进行放置,后面的变量d(四个比特位)也是如此 ,(c所占据的字节中还剩下三个比特位,不够d所有的比特位)

那么这里一共就占据了三个字节,但答案真的是如此吗?

 

答案真是如此,就占据了三个字节。

所以我们得到了位段再VS编译器中,就是如此分配内存的! ——注!仅仅是VS编译器。 

同时我们也得到结论:位段其实也会浪费空间,但是相比于普通结构体而言,浪费的更少。

 

普通结构体:一共占据了四个字节。

struct S
{
 char _a;
 char _b;
 char _c;
 char _d;
};

所以最后还是节约了空间。

探究VS中的位段内存分布情况: 

struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

第一步, struct S s = {0};将结构体变量初始化为0

s.a =10 将10的二进制放到char a中,但是a只能放3个比特位,而10的二进制是1010,所以只能放三个比特位,从右到左截取三个进行存放。

第二步、b=12,b可以放四个比特位,12的二进制是1100,所以四个放入刚刚a放入的空间。

 

 第三步,该空间所剩下的比特位不够变量c(5个比特位)进行存放,所以另外开辟一共空间放入c的比特位。

而因为c是3,占据五个比特位,3的二进制是00011,所以存入五个进去。

第四步、同样d也需要开辟空间,且d需要四个比特位。d是4 二进制位是0100,存入新开辟的空间。

 

第五步、最后按照四个比特位(二进制位)一个十六进制位进行转化,最后再内存中的展示也是如此。

 

总结图:

 

以上都是VS编译器中出现的位段现象! 

 

位段的跨平台问题:

  • int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。
  • 位段中最⼤位的数⽬不能确定。(16位机器最⼤16,32位机器最⼤32,写成27,在16位机器会 出问题。
  • 位段中的成员在内存中从左向右分配,还是从右向左分配标准尚未定义。
  • 当⼀个结构包含两个位段,第⼆个位段成员⽐较⼤,⽆法容纳于第⼀个位段剩余的位时,是舍弃 剩余的位还是利⽤,这是不确定的。 

总结:

位段在不同的编译器不同的平台效果不一样, 所以建议在一定要需要节约内存的时候使用位段,若使用位段,只能不同的平台写不同的代码。

注意事项:

  • 位段的几个成员共有同一个字节,这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置,那么这些位置处是没有地址的。
  • 内存中每个字节分配一个地址,一个字节内部的bit位是没有地址的。
  • 所以不能对位段的成员使用&操作符,这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值,只能是先输入放在一个变量中,然后赋值给位段的成员。 
struct A
{
 int _a : 2;
 int _b : 5;
 int _c : 10;
 int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}

 

热知识:

  1. bit就是位,也叫比特位,是计算机表示数据最小的单位
  2. byte就是字节
  3. 1byte=8bit
  4. 1byte就是1B
  5. 一个字符=2字节
  6. 1KB=1024B

   1.字节就是Byte,也是B

   2.位就是bit也是b

   3.转换关系如下:

   1)1KB=1024B

   2) 1B= 8b

 


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