位域的定義

位域的定義格式如下：

struct 位域結構體名 
{ 
    數據類型  位域名   :位域長度;
};

標準數據類型

標準C規定位域的數據類型只有如下四種：

• unsigned int
• signed int
• int
• _Bool

例如;

/*無符號整型位域，范圍：0~7*/
unsigned int b:3; 


/*有符號整型位域，范圍：-4~3*/
signed int b:3;


/*int 默認是 signed int，范圍：0~7 或 -4~3*/
int b:3;


/*布爾類型位域，范圍：0~1*/
bool b:1;

注意：

在 ANSI C 中，位域數據類型只有 unsigned int ，signed int，int 三種，到 C99 才加入 _Bool 數據類型支持。

int 用作位域數據類型，表示無符號數時，范圍為：07；表示有符號數時，范圍為：-43 。

其他數據類型

細心的小伙伴可能已經發現了，在【基礎篇】的示例代碼里，我用了 unsigned char 類型來定義位域成員，上面不是說標準C規定了只有 unsigned int、signed int、int 和 _Bool 這四種數據類型才能作為位域的數據類型嗎？為什么用 unsigned char 類型定義位域成員也行呢？

其實這個問題與編譯器有關，單片機應用程序開發，用到的主流 IDE 一般都是 Keil 和 IAR ，這兩個 IDE 都集成了編譯器，這些編譯器大多都在標準C上做了擴展，增加了 char、signed char、unsigned char 等數據類型，所以使用 unsigned char 類型定義位域成員也是沒有問題的。

為了方便講解，下面的例子中我都會使用 unsigned char 類型定義位域成員。

位域名

位域名是可選項，定義位域成員時，是可以不寫位域名的，格式如下：

struct 位域結構體名 
{ 
    數據類型     :位域長度;
};

這些沒有位域名的位域，叫做無名位域，有些資料也叫匿名位域；無名位域沒有位域名，在程序中是無法引用無名位域的，無名位域一般用來填充指定位數或調整成員位置。

位域長度

位域長度就是指某個位域成員變量所占用的二進制位數（bit），位域長度不能超過定義該位域的數據類型的長度。

這個很好理解，假設我定義了一個位域成員 a ，如下：

struct A
{ 
    unsigned char a  :8;
};

位域成員 a 是由 unsigned char 類型定義的，假設 unsigned char 類型占用一字節空間，那么位域成員 a 的位域長度就不能超過 8 。

位域的使用

位域的使用方法和結構體一樣，有如下兩種形式：

位域變量名.位域名
位域變量名- >位域名

例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a      :4;
    unsigned char b      :3;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;
struct Bit_Field_t *Bit_Field_p;


Bit_Field.a
Bit_Field_p- >a

需要注意的是，位域一般只占用一個字節的若干個 bit（例如上述的位域 a只占用了一個字節的 4bit 空間），而且不一定位于字節的起始位置。另外，地址的操作單位是字節，而不是 bit ，因此對獲取位域的地址是沒有意義的，例如下面的操作是不被允許的：

&Bit_Field.a

C11 中還規定，不能對位域使用 sizeof 和 _Alignas 這兩個關鍵字。

位域的存儲

測試環境

先說明一下我的測試環境，下面涉及到的代碼，是在ubuntu 系統下，使用 GCC 編譯的。

測試各常用變量長度如下：

printf("sizeof(char)   = %dn", sizeof(char));
printf("sizeof(short)  = %dn", sizeof(short));
printf("sizeof(int)    = %dn", sizeof(int));
printf("sizeof(long)   = %dn", sizeof(long));


printf("n");


printf("sizeof(unsigned char)   = %dn", sizeof(unsigned char));
printf("sizeof(unsigned short)  = %dn", sizeof(unsigned short));
printf("sizeof(unsigned int)    = %dn", sizeof(unsigned int));
printf("sizeof(unsigned long)   = %dn", sizeof(unsigned long));

相鄰位域數據類型相同

當相鄰的位域數據類型相同時，各個位域都是緊挨著存儲的，如果剩余空間不足以存放下一個位域，則下一個位域從新的存儲單元開始存儲，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a      :4;
    unsigned char b      :3;
    unsigned char c      :5;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

位域 a 和位域 b 占用了 7bit 空間，剩余 1bit 空間不足以存儲位域 c ，所以位域 c 從下一存儲空間開始存儲，unsigned char 類型占用一字節空間，所以位域 c 從下一字節開始存儲，如下：

相鄰位域數據類型不同

當相鄰的位域數據類型不同時，不同數據類型的位域可能緊挨著存儲，也有可能從下一個存儲單元開始存儲，這個存儲機制與編譯器有關，一般來說，GCC 編譯器會將不同數據類型的相鄰位域緊挨著存儲，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char  a      :4;
    unsigned char  b      :3;
    unsigned short c      :5;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

位域 a 和位域 b 類型相同，沒有超出字節長度，緊挨著存儲，剩余 1bit 空間，位域 c 與位域 b 類型不同，如果編譯器將這兩個相鄰位域緊挨著存儲的話，示意圖如下：

位域之間有無名位域

當兩個位域之間有無名位域時，位域的存儲位置與無名位域長度有關。

當無名位域長度為 0 時，指定下個位域從下一個存儲單元開始存放，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a : 3;
    unsigned char   : 0;
    unsigned char b : 4;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

unsigned char 類型占用一字節空間，位域 a 占用了 3bit 空間，緊挨著就是一個長度為0的無名位域，這就意味著位域 b 需要從下一個存儲單元開始存儲，unsigned char 類型占用一字節空間，所以位域 b 從下一字節開始存儲。

當無名位域長度大于 0 時，跳過指定 bit 后再開始存放下一位域，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a : 3;
    unsigned char   : 4;
    unsigned char b : 4;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

unsigned char 類型占用一字節空間，位域 a 占用了 3bit 空間，緊挨著就是一個長度為4的無名位域，此時會跳過 4bit 不用，在 bit7 的位置開始存放位域 b 。

小結

位域的優點很明顯，合理運用的話可以極大地節省內存資源；然而，位域的缺點也同樣明顯，不同的平臺，不同的編譯器，不同的大小端模式，都會影響位域在內存中的存儲，因此，使用位域的程序，想在不同的平臺間移植，是件很頭疼的事情。

上面舉的例子，都是以單個字節作為存儲單元，以字節對齊的方式為前提講解的，在使用其他長度的類型作為存儲單元以及使用其他對齊方式都會有不同的結果，這個大家在實際開發中需要靈活應用。