C 语言中的 Bit 位字段

声明结构体或联合类型时，结构体/联合类型变量的大小取决于其各个元素的大小。除了使用默认内存大小外，您还可以设置位的大小来限制大小。指定的大小称为位字段。

以下是声明位字段的语法 -

struct {
    data_type elem : width;
};

假设您的 C 程序包含多个 TRUE/FALSE 变量，这些变量分组在一个名为 status 的结构体中，如下所示 -

struct {
    unsigned int widthValidated;
    unsigned int heightValidated;
} status;

此结构体需要 8 个字节的内存空间，但实际上，我们将在每个变量中存储"0"或"1"。在这种情况下，C 编程语言提供了一种更好的内存空间利用方法。

如果您在结构体中使用此类变量，则可以定义变量的宽度，以告知 C 编译器您将仅使用这几个字节。例如，上述结构体可以重写如下 -

struct {
   unsigned int widthValidated : 1;
   unsigned int heightValidated : 1;
} status;

上述结构体需要 4 个字节的内存空间来存储 status 变量，但仅使用 2 位来存储其值。

示例

如果您最多使用 32 个变量，每个变量的宽度为 1 位，那么 status 结构体也将使用 4 个字节。但是，一旦变量数量达到 33 个，它就会分配下一个内存槽，并开始使用 8 个字节。

让我们通过以下示例来理解这一概念 -

#include <stdio.h>

/* 定义简单结构体 */
struct {
    unsigned int widthValidated;
    unsigned int heightValidated;
} status1;

/* 定义一个包含位字段的结构体 */
struct {
   unsigned int widthValidated : 1;
   unsigned int heightValidated : 1;
} status2;

int main() {

   printf("Memory size occupied by status1: %d
", sizeof(status1));
   printf("Memory size occupied by status2: %d
", sizeof(status2));
   
   return 0;
}

输出

编译并执行上述代码后，将产生以下输出 -

Memory size occupied by status1: 8
Memory size occupied by status2: 4

位字段声明

位字段在结构体中的声明形式如下:

struct {
   type [member_name] : width ;
};

下表描述了位字段的变量元素 -

具有预定义宽度的变量称为位字段。位字段可以容纳多个位;例如，如果您需要一个变量来存储从 0 到 7 的值，则可以定义一个宽度为 3 位的位字段，如下所示 -

struct {
    unsigned int age : 3;
} Age;

上述结构体定义指示 C 编译器，变量"Age"将仅使用 3 位来存储值。如果您尝试使用超过 3 位，则系统将不允许您这样做。

示例

让我们尝试以下示例 -

#include <stdio.h>

struct {
   unsigned int age : 3;
} Age;

int main() {

   Age.age = 4;
   printf("Sizeof(Age): %d
", sizeof(Age));
   printf("Age.age: %d
", Age.age);

   Age.age = 7;
   printf("Age.age : %d
", Age.age);

   Age.age = 8;
   printf("Age.age : %d
", Age.age);

   return 0;
}

输出

编译上述代码时，会显示警告 -

warning: unsigned conversion from 'int' to 'unsigned char:3' changes value from '8' to '0' [-Woverflow]|

执行后，将产生以下输出 -

Sizeof(Age): 4
Age.age: 4
Age.age: 7
Age.age: 0

在可用存储空间有限的情况下，可以使用位字段。当设备传输编码为多个位的状态或信息时，位字段也非常有效。当某些加密程序需要访问字节中的位时，位字段用于定义数据结构。