C/C++
結構體的一個高級特性
――
指定成員的位數
?
在大多數情況下，我們一般這樣定義結構體：
struct student
{
????????????? ? unsigned int sex;
????????????? unsigned int age;
};
對于一般的應用，這已經能很充分地實現數據了的
“
封裝
”
。
但是，在實際工程中，往往碰到這樣的情況：那就是要用一個基本類型變量中的不同的位表示不同的含義。譬如一個
cpu
內部的標志寄存器，假設為
16 bit
，而每個
bit
都可以表達不同的含義，有的表示結果是否為
0
，有的表示是否越界等等。這個時候我們用什么數據結構來表達這個寄存器呢？
答案還是結構體！
為達到此目的，我們要用到結構體的高級特性，那就是在基本成員變量的后面添加“
:
數據位數”組成新的結構體：
struct xxx
{
?????????????
成員
1
類型成員
1 :
成員
1
位數
;
?????? ????? ?
成員
2
類型成員
2 :
成員
2
位數
;
?????? ????? ?
成員
3
類型成員
3 :
成員
3
位數
;
};
基本的成員變量就會被拆分！這個語法在初級編程中很少用到，但是在高級程序設計中不斷地被用到！例如：
struct student
{
????????????? ? unsigned int sex : 1;
????????????? unsigned int age : 15;
};
上述結構體中的兩個成員
sex
和
age
加起來只占用了一個
unsigned int
的空間（假設
unsigned int
為
16
位）。
基本成員變量被拆分后，訪問的方法仍然和訪問沒有拆分的情況是一樣的，例如：
struct student sweek;
sweek.sex = MALE;//
這里的
MALE
只能是
0
或
1
，值不能大于
1
sweek.age = 20;
雖然拆分基本成員變量在語法上是得到支持的，但是并不等于我們想怎么分就怎么分，例如下面的拆分顯然是不合理的：
struct student
{
????????????? ??? unsigned int sex : 1;
????????????? ? unsigned int age : 12;
};
這是因為
1+12 = 13
，不能再組合成一個基本成員，不能組合成
char
、
int
或任何類型，這顯然是不能
“
自圓其說
”
的。
在拆分基本成員變量的情況下，我們要特別注意數據的存放順序，這還與
CPU
是
Big endian
還是
Little endian
來決定。
Little endian
和
Big endian
是
CPU
存放數據的兩種不同順序。對于整型、長整型等數據類型，
Big endian
認為第一個字節是最高位字節（按照從低地址到高地址的順序存放數據的高位字節到低位字節）；而
Little endian
則相反，它認為第一個字節是最低位字節（按照從低地址到高地址的順序存放數據的低位字節到高位字節）。
我們定義
IP
包頭結構體為：
struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
?????? __u8?????? ihl:4,
?????? ?????? version:4;
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
?????? __u8?????? version:4,
???? ?????? ihl:4;
#else
#error?????? "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
?????? __u8?????? tos;
?????? __u16?????? tot_len;
?????? __u16?????? id;
?????? __u16?????? frag_off;
?????? __u8?????? ttl;
?????? __u8?????? protocol;
?????? __u16?????? check;
?????? __u32?????? saddr;
?????? __u32?????? daddr;
?????? /*The options start here. */
};
在
Little endian
模式下，
iphdr
中定義：
?????? __u8?????? ihl:4,
?????? ?????? version:4;
其存放方式為：
第
1
字節低
4
位
?ihl
第
1
字節高
4
位
?version
（
IP
的版本號）
若在
Big endian
模式下還這樣定義，則存放方式為：
第
1
字節低
4
位
?version
（
IP
的版本號）
第
1
字節高
4
位
?ihl
這與實際的
IP
協議是不匹配的，所以在
Linux
內核源代碼中，
IP
包頭結構體的定義利用了宏：
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
…
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
…
#endif
來區分兩種不同的情況。
由此我們總結全文的主要觀點：
（
1
）
??????
C/C++
語言的結構體支持對其中的基本成員變量按位拆分；
（
2
）
??????
拆分的位數應該是合乎邏輯的，應仍然可以組合為基本成員變量；
要特別注意拆分后的數據的存放順序，這一點要結合具體的
CPU
的結構。
?
?
?
?
該文是由宋寶華處轉載而來的，筆者以前從未知道結構體還可以這樣用法，筆者做過嘗試，再
VC
下用過的感受有兩點
1、?????????????
結構體按位拆分時，雖然宋兄提醒不能拆分如文中紅色背景顯示的情況，但是本人試過，并非是不可以的，而且如果
CPU
支持
32
的話，顯然文中的以
16
位來分配的話也是沒有達到要求的。
2、?????????????
按位拆分時字節數目問題，我們先看兩例
?????? struct student1
?????? {
????????????? unsigned char sex : 1;
????????????? unsigned int? no : 5;
????????????? char??????? ??age : 7;
????????????? int????????? grade : 10;
?????? };
?
????????????? struct student2
?????? {
????????????? unsigned char sex : 1;
????????????? char??????? ? ?age : 7;
????????????? unsigned int ?no : 5;???????????
????????????? int????????? grade : 10;
?????? };
以上兩例中雖然意思并不大，但是如果按
int
為
2
字節
16
位
char
為
1
字節
8
位來劃分內存的話，那么
student1
占用了
6
字節共
48
位，但是實際使用了
23
位，另外
25
位沒定義，而
student2
占用了
3
字節共
24
位，但是實際使用也是
23
位。這個過程，我把它總結為前后變量的類型不一致時，字節就重新分配。
3、?????????????
賦值過程中數據編碼問題。還看兩例
?????? student1 ss;
?????? ss.age = 255;
?????? student2 st;
?????? st.age= 191;
ss.age
的值為
-1
，而
st.age
的值為
63
，其實
255
為
11111111
，因為是
7
位，所以采用截斷方式，變成
1111111
，又因為
age
是有符號的變量，所以根據負數的編碼規則賦值
255
時得到的結果就是
-1
。在這里采用了截斷的方式，為止正確賦值時一定不能大于位數編碼值。
?使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大致規則為：
1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則后面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲單元開始，其偏移量為其類型大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6采取不壓縮方式，Dev-C++采取壓縮方式；
4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數倍。