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位域與位運(yùn)算

發(fā)布時間：2019-05-22

有些數(shù)據(jù)在存儲時并不需要占用一個完整的字節(jié)，只需要占用一個或幾個二進(jìn)制位即可。例如開關(guān)只有通電和斷電兩種狀態(tài)，用 0 和 1 表示足以，也就是用一個二進(jìn)位。正是基于這種考慮，C語言又提供了一種叫做位域的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)體定義時，我們可以指定某個成員變量所占用的二進(jìn)制位數(shù)（Bit），這就是位域。請看下面的例子：

  1. struct bs{
  2. unsigned m;
  3. unsigned n: 4;
  4. unsigned char ch: 6;
  5. }

:后面的數(shù)字用來限定成員變量占用的位數(shù)。成員 m 沒有限制，根據(jù)數(shù)據(jù)類型即可推算出它占用 4 個字節(jié)（Byte）的內(nèi)存。成員 n、ch 被:后面的數(shù)字限制，不能再根據(jù)數(shù)據(jù)類型計(jì)算長度，它們分別占用 4、6 位（Bit）的內(nèi)存。

n、ch 的取值范圍非常有限，數(shù)據(jù)稍微大些就會發(fā)生溢出，請看下面的例子：

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m;
  6. unsigned n: 4;
  7. unsigned char ch: 6;
  8. } a = { 0xad, 0xE, '$'};
  9. //第一次輸出
  10. printf("%#x, %#x, %c\n", a.m, a.n, a.ch);
  11. //更改值后再次輸出
  12. a.m = 0xb8901c;
  13. a.n = 0x2d;
  14. a.ch = 'z';
  15. printf("%#x, %#x, %c\n", a.m, a.n, a.ch);
  17. return 0;
  18. }

運(yùn)行結(jié)果：
0xad, 0xe, $
0xb8901c, 0xd, :

對于 n 和 ch，第一次輸出的數(shù)據(jù)是完整的，第二次輸出的數(shù)據(jù)是殘缺的。

第一次輸出時，n、ch 的值分別是 0xE、0x24（'$' 對應(yīng)的 ASCII 碼為 0x24），換算成二進(jìn)制是 1110、10 0100，都沒有超出限定的位數(shù)，能夠正常輸出。

第二次輸出時，n、ch 的值變?yōu)?0x2d、0x7a（'z' 對應(yīng)的 ASCII 碼為 0x7a），換算成二進(jìn)制分別是 10 1101、111 1010，都超出了限定的位數(shù)。超出部分被直接截去，剩下 1101、11 1010，換算成十六進(jìn)制為 0xd、0x3a（0x3a 對應(yīng)的字符是 :）。

C語言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，位域的寬度不能超過它所依附的數(shù)據(jù)類型的長度。通俗地講，成員變量都是有類型的，這個類型限制了成員變量的最大長度，:后面的數(shù)字不能超過這個長度。

例如上面的 bs，n 的類型是 unsigned int，長度為 4 個字節(jié)，共計(jì) 32 位，那么 n 后面的數(shù)字就不能超過 32；ch 的類型是 unsigned char，長度為 1 個字節(jié)，共計(jì) 8 位，那么 ch 后面的數(shù)字就不能超過 8。

我們可以這樣認(rèn)為，位域技術(shù)就是在成員變量所占用的內(nèi)存中選出一部分位寬來存儲數(shù)據(jù)。

C語言標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，只有有限的幾種數(shù)據(jù)類型可以用于位域。在 ANSI C 中，這幾種數(shù)據(jù)類型是 int、signed int 和 unsigned int（int 默認(rèn)就是 signed int）；到了 C99，_Bool 也被支持了。

關(guān)于C語言標(biāo)準(zhǔn)以及 ANSI C 和 C99 的區(qū)別，我們已在VIP教程《C語言的兩套標(biāo)準(zhǔn)》中進(jìn)行了講解。

但編譯器在具體實(shí)現(xiàn)時都進(jìn)行了擴(kuò)展，額外支持了 char、signed char、unsigned char 以及 enum 類型，所以上面的代碼雖然不符合C語言標(biāo)準(zhǔn)，但它依然能夠被編譯器支持。

位域的存儲

C語言標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定位域的具體存儲方式，不同的編譯器有不同的實(shí)現(xiàn)，但它們都盡量壓縮存儲空間。

位域的具體存儲規(guī)則如下：
1) 當(dāng)相鄰成員的類型相同時，如果它們的位寬之和小于類型的 sizeof 大小，那么后面的成員緊鄰前一個成員存儲，直到不能容納為止；如果它們的位寬之和大于類型的 sizeof 大小，那么后面的成員將從新的存儲單元開始，其偏移量為類型大小的整數(shù)倍。

以下面的位域 bs 為例：

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 6;
  6. unsigned n: 12;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d\n", sizeof(struct bs));
  11. return 0;
  12. }

運(yùn)行結(jié)果：
4

m、n、p 的類型都是 unsigned int，sizeof 的結(jié)果為 4 個字節(jié)（Byte），也即 32 個位（Bit）。m、n、p 的位寬之和為 6+12+4 = 22，小于 32，所以它們會挨著存儲，中間沒有縫隙。

sizeof(struct bs) 的大小之所以為 4，而不是 3，是因?yàn)橐獙?nèi)存對齊到 4 個字節(jié)，以便提高存取效率，這將在《C語言和內(nèi)存》專題的《C語言內(nèi)存對齊，提高尋址效率》一節(jié)中詳細(xì)講解。

如果將成員 m 的位寬改為 22，那么輸出結(jié)果將會是 8，因?yàn)?22+12 = 34，大于 32，n 會從新的位置開始存儲，相對 m 的偏移量是 sizeof(unsigned int)，也即 4 個字節(jié)。

如果再將成員 p 的位寬也改為 22，那么輸出結(jié)果將會是 12，三個成員都不會挨著存儲。

2) 當(dāng)相鄰成員的類型不同時，不同的編譯器有不同的實(shí)現(xiàn)方案，GCC 會壓縮存儲，而 VC/VS 不會。

請看下面的位域 bs：

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 12;
  6. unsigned char ch: 4;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d\n", sizeof(struct bs));
  11. return 0;
  12. }

在 GCC 下的運(yùn)行結(jié)果為 4，三個成員挨著存儲；在 VC/VS 下的運(yùn)行結(jié)果為 12，三個成員按照各自的類型存儲（與不指定位寬時的存儲方式相同）。

 

3) 如果成員之間穿插著非位域成員，那么不會進(jìn)行壓縮。例如對于下面的 bs：

  1. struct bs{
  2. unsigned m: 12;
  3. unsigned ch;
  4. unsigned p: 4;
  5. };

在各個編譯器下 sizeof 的結(jié)果都是 12。

通過上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)位域成員往往不占用完整的字節(jié)，有時候也不處于字節(jié)的開頭位置，因此使用&獲取位域成員的地址是沒有意義的，C語言也禁止這樣做。地址是字節(jié)（Byte）的編號，而不是位（Bit）的編號。

無名位域

位域成員可以沒有名稱，只給出數(shù)據(jù)類型和位寬，如下所示：

  1. struct bs{
  2. int m: 12;
  3. int : 20; //該位域成員不能使用
  4. int n: 4;
  5. };

無名位域一般用來作填充或者調(diào)整成員位置。因?yàn)闆]有名稱，無名位域不能使用。

上面的例子中，如果沒有位寬為 20 的無名成員，m、n 將會挨著存儲，sizeof(struct bs) 的結(jié)果為 4；有了這 20 位作為填充，m、n 將分開存儲，sizeof(struct bs) 的結(jié)果為 8。

所謂位運(yùn)算，就是對一個比特（Bit）位進(jìn)行操作比特（Bit）是一個電子元器件，8個比特構(gòu)成一個字節(jié)（Byte），它已經(jīng)是粒度最小的可操作單元了。

C語言提供了六種位運(yùn)算符：

運(yùn)算符 & | ^ ~ << >>
說明 按位與 按位或 按位異或 取反 左移 右移

按位與運(yùn)算（&）

一個比特（Bit）位只有 0 和 1 兩個取值，只有參與&運(yùn)算的兩個位都為 1 時，結(jié)果才為 1，否則為 0。例如1&1為 1，0&0為 0，1&0也為 0，這和邏輯運(yùn)算符&&非常類似。

C語言中不能直接使用二進(jìn)制，&兩邊的操作數(shù)可以是十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制，它們在內(nèi)存中最終都是以二進(jìn)制形式存儲，&就是對這些內(nèi)存中的二進(jìn)制位進(jìn)行運(yùn)算。其他的位運(yùn)算符也是相同的道理。

例如，9 & 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001  （1 在內(nèi)存中的存儲）

也就是說，按位與運(yùn)算會對參與運(yùn)算的兩個數(shù)的所有二進(jìn)制位進(jìn)行&運(yùn)算，9 & 5的結(jié)果為 1。

又如，-9 & 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）

-9 & 5的結(jié)果是 5。

 

再強(qiáng)調(diào)一遍，&是根據(jù)內(nèi)存中的二進(jìn)制位進(jìn)行運(yùn)算的，而不是數(shù)據(jù)的二進(jìn)制形式；其他位運(yùn)算符也一樣。以-9&5為例，-9 的在內(nèi)存中的存儲和 -9 的二進(jìn)制形式截然不同：

 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
-0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （-9 的二進(jìn)制形式，前面多余的 0 可以抹掉）


按位與運(yùn)算通常用來對某些位清 0，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位清 0 ，保留低 16 位，可以進(jìn)行n & 0XFFFF運(yùn)算（0XFFFF 在內(nèi)存中的存儲形式為 0000 0000 -- 0000 0000 -- 1111 1111 -- 1111 1111）。

【實(shí)例】對上面的分析進(jìn)行檢驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. int n = 0X8FA6002D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 & 5, -9 & 5, n & 0XFFFF);
  6. return 0;
  7. }

運(yùn)行結(jié)果：
1, 5, 2D

按位或運(yùn)算（|）

參與|運(yùn)算的兩個二進(jìn)制位有一個為 1 時，結(jié)果就為 1，兩個都為 0 時結(jié)果才為 0。例如1|1為1，0|0為0，1|0為1，這和邏輯運(yùn)算中的||非常類似。

例如，9 | 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
|   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1101  （13 在內(nèi)存中的存儲）

9 | 5的結(jié)果為 13。

又如，-9 | 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
|   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）

-9 | 5的結(jié)果是 -9。

按位或運(yùn)算可以用來將某些位置 1，或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位置 1，保留低 16 位，可以進(jìn)行n | 0XFFFF0000運(yùn)算（0XFFFF0000 在內(nèi)存中的存儲形式為 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

【實(shí)例】對上面的分析進(jìn)行校驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. int n = 0X2D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 | 5, -9 | 5, n | 0XFFFF0000);
  6. return 0;
  7. }

運(yùn)行結(jié)果：
13, -9, FFFF002D

按位異或運(yùn)算（^）

參與^運(yùn)算兩個二進(jìn)制位不同時，結(jié)果為 1，相同時結(jié)果為 0。例如0^1為1，0^0為0，1^1為0。

例如，9 ^ 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
^  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1100  （12 在內(nèi)存中的存儲）

9 ^ 5的結(jié)果為 12。

又如，-9 ^ 5可以轉(zhuǎn)換成如下的運(yùn)算：

    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
^  0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101  （5 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
    1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0010  （-14 在內(nèi)存中的存儲）

-9 ^ 5的結(jié)果是 -14。

按位異或運(yùn)算可以用來將某些二進(jìn)制位反轉(zhuǎn)。例如要把 n 的高 16 位反轉(zhuǎn)，保留低 16 位，可以進(jìn)行n ^ 0XFFFF0000運(yùn)算（0XFFFF0000 在內(nèi)存中的存儲形式為 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000）。

【實(shí)例】對上面的分析進(jìn)行校驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. unsigned n = 0X0A07002D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 ^ 5, -9 ^ 5, n ^ 0XFFFF0000);
  6. return 0;
  7. }

運(yùn)行結(jié)果：
12, -14, F5F8002D

取反運(yùn)算（~）

取反運(yùn)算符~為單目運(yùn)算符，右結(jié)合性，作用是對參與運(yùn)算的二進(jìn)制位取反。例如~1為0，~0為1，這和邏輯運(yùn)算中的!非常類似。。

例如，~9可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

~ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
   1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0110  （-10 在內(nèi)存中的存儲）

所以~9的結(jié)果為 -10。

例如，~-9可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

~ 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
   0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1000  （9 在內(nèi)存中的存儲）

所以~-9的結(jié)果為 8。

【實(shí)例】對上面的分析進(jìn)行校驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", ~9, ~-9 );
  5. return 0;
  6. }

運(yùn)行結(jié)果：
-10, 8

左移運(yùn)算（<<）

左移運(yùn)算符<<用來把操作數(shù)的各個二進(jìn)制位全部左移若干位，高位丟棄，低位補(bǔ)0。

例如，9<<3可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

<< 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
     0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0100 1000  （72 在內(nèi)存中的存儲）

所以9<<3的結(jié)果為 72。

又如，(-9)<<3可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

<< 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
      1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1011 1000  （-72 在內(nèi)存中的存儲） 

所以(-9)<<3的結(jié)果為 -72

如果數(shù)據(jù)較小，被丟棄的高位不包含 1，那么左移 n 位相當(dāng)于乘以 2 的 n 次方。

【實(shí)例】對上面的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", 9<<3, (-9)<<3 );
  5. return 0;
  6. }

運(yùn)行結(jié)果：
72, -72

右移運(yùn)算（>>）

右移運(yùn)算符>>用來把操作數(shù)的各個二進(jìn)制位全部右移若干位，低位丟棄，高位補(bǔ) 0 或 1。如果數(shù)據(jù)的最高位是 0，那么就補(bǔ) 0；如果最高位是 1，那么就補(bǔ) 1。

例如，9>>3可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

>> 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001  （9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
     0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001  （1 在內(nèi)存中的存儲）

所以9>>3的結(jié)果為 1。

又如，(-9)>>3可以轉(zhuǎn)換為如下的運(yùn)算：

>> 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111  （-9 在內(nèi)存中的存儲）
-----------------------------------------------------------------------------------
      1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1110  （-2 在內(nèi)存中的存儲） 

所以(-9)>>3的結(jié)果為 -2

如果被丟棄的低位不包含 1，那么右移 n 位相當(dāng)于除以 2 的 n 次方（但被移除的位中經(jīng)常會包含 1）。

【實(shí)例】對上面的結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", 9>>3, (-9)>>3 );
  5. return 0;
  6. }

運(yùn)行結(jié)果：
1, -2

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