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C++ struct 位域

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位域(Bit field)为一种数据结构，可以把数据以位的形式紧凑的储存，并允许程序员对此结构的位进行操作。这种数据结构的一个好处是它可以使数据单元节省储存空间，当程序需要成千上万个数据单元时，这种方法就显得尤为重要。

位域的声明

位域使用以下的结构声明 , 该结构声明为每个位域成员设置名称，并决定其宽度。

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struct bit_field_name
{
    type member_name : width;
};

例如声明如下一个位域:

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struct _PRCODE
{
	unsigned int code1: 2;
	unsigned int cdde2: 2;
	unsigned int code3: 8;
};
struct _PRCODE prcode;

该定义使 prcode 包含 2 个 2 Bits 位域和 1 个 8 Bits 位域，我们可以使用结构体的成员运算符对其进行赋值：

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prcode.code1 = 0;
prcode.code2 = 3;
procde.code3 = 102;

当然，赋值时要注意值的大小不能超过位域成员的容量，例如 prcode.code3 为 8 Bits 的位域成员，其容量为 2^8 = 256，即赋值范围应为 [0, 255]。

我第一次见到这种写法的时候很奇怪，查询了才知道了位域的用法。一般来说位域都是为了更好的使用内存，实际成员占据的内存大小就是位域声明的大小，比如我们使用 int，但是实际数的范围很小，没必要用很多位，所以才会这样做，移动端特别注重。注意，冒号后面的数字表示这个成员变量占用多少 bit，但是这个大小不能超过这个数据类型应该的大小。比如下述的声明就无效，编译不通过。

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struct bits_B {
    int a:64;
};

位域的大小和对齐

位域的大小

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struct box 
{
    unsigned int a: 1;
    unsigned int  : 3;
    unsigned int b: 4;
};

该位域结构体中间有一个未命名的位域，占据 3 Bits，仅起填充作用，并无实际意义。 填充使得该结构总共使用了 8 Bits。但 C 语言使用 unsigned int 作为位域的基本单位，即使一个结构的唯一成员为 1 Bit 的位域，该结构大小也和一个 unsigned int 大小相同（满足struct 大小是最大的成员变量大小的整数倍规则）。 有些系统中，unsigned int 为 16 Bits，在 x86 系统中为 32 Bits。文章以下均默认 unsigned int 为 32 Bits。

位域的对齐

位域同样受 struct 的数据成员排列的规则限制（sizeof 的计算规则），也会产生一些填充和对齐。

比如上述说的，一个位域成员不允许跨越两个 unsigned int 的边界，如果成员声明的总位数超过了一个 unsigned int 的大小， 那么编辑器会自动移位位域成员，使其按照 unsigned int 的边界对齐。例如：

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struct stuff 
{
	unsigned int field1: 30;
	unsigned int field2: 4;
	unsigned int field3: 3;
};

field1 + field2 = 34 Bits，超出 32 Bits, 编译器会将 field2 移位至下一个 unsigned int 单元存放， stuff.field1 和 stuff.field2 之间会留下一个 2 Bits 的空隙， stuff.field3 紧跟在 stuff.field2 之后，该结构现在大小为 2 * 32 = 64 Bits。

这个空洞可以用之前提到的未命名的位域成员填充，我们也可以使用一个宽度为 0 的未命名位域成员令下一位域成员与下一个整数对齐，这个用法很常用，也就是将前后两个位域成员分开存在不同的基本类型内存中。例如:

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struct stuff 
{
	unsigned int field1: 30;
	unsigned int       : 2;
	unsigned int field2: 4;
	unsigned int       : 0;
	unsigned int field3: 3; 
};

这里 stuff.field1 与 stuff.field2 之间有一个 2 Bits 的空隙，stuff.field3 则存储在下一个 unsigned int 中，该结构现在大小为 3 * 32 = 96 Bits。

这个用法是非常常见的，特别是高性能的 cache 友好设计中，解决 cache 伪共享问题，关于 cache 相关，可以参阅这篇文章。

位域的初始化和位的重映射

位域的初始化

位域的初始化与普通结构体初始化的方法相同，这里列举两种，如下:

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struct stuff s1= {20,8,6};

struct stuff s2;
s2.field1 = 20;
s2.field2 = 8;
s2.field3 = 4;

位域的重映射 (Re-mapping)

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struct box {
	unsigned int ready:     2;
	unsigned int error:     2;
	unsigned int command:   4;
	unsigned int sector_no: 24;
}b1;

利用重映射将位域归零

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int* p = (int *) &b1;  // 将 "位域结构体的地址" 映射至 "整形（int*) 的地址" 
*p = 0;                // 清除 s1，将各成员归零

利用联合 (union) 将 32 Bits 位域 重映射至 unsigned int 型

先简单介绍一下联合

union 是一种特殊的类，也是一种构造类型的数据结构。在一个 union 内可以定义多种不同的数据类型， 一个被说明为该 union 类型的变量中，允许装入该 union 所定义的任何一种数据，这些数据共享同一段内存，以达到节省空间的目的。

union 与 struct 有一些相似之处。但两者有本质上的不同。在结构中各成员有各自的内存空间， 一个结构变量的总长度是各成员长度之和（空结构除外，同时不考虑边界调整）。而在 union 中，各成员共享一段内存空间， 一个联合变量的长度等于各成员中最长的长度。应该说明的是，这里所谓的共享不是指把多个成员同时装入一个联合变量内， 而是指该联合变量可被赋予任一成员值，但每次只能赋一种值，赋入新值则冲去旧值。

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union u_box {
  struct box st_box;     
  unsigned int ui_box;
};

x86 系统中 unsigned int 和 box 都为 32 Bits, 通过该联合使 st_box 和 ui_box 共享一块内存。具体位域中哪一位与 unsigned int 哪一位相对应，取决于编译器和硬件。利用联合将位域归零，代码如下：

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union u_box u;
u.ui_box = 0;