C语言位段、位域及TCP报文头描述

关于C语言的位段或是位域

近日，被朋友考了一道题，关于位段的，查了下资料总结出来。

1.什么是位段:

信息在存储时,不需要占用一个完整的字节,只需要其中几个二进制位时,就可以指定

相关的数据占用的位数.最常见的就是数据报文,如TCP报文头描述的,每个头子段都说

明了占用几个位,etc.

C语言提供的这种数据结构,称为"位域"或是"位段".所谓"位域"是把一个字节中的二进

制划分为几个不同的区域,并说明每个区域的位数.每个域都有一个域名,许可在程序中

按域名进行操作.这样,可以把多个不同的元素用一个字节的二进制位表示出来,节省了

存储空间.

2.表示形式

如以下形式,a后面的":"即指明该成员占有多少位.

struct bitTmp

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;

};

a占8位,b占2位,c占6位.

3.原则

第一:一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节.

如一个字节所省空间不够存放另一个位域时,应从下一个单元起存放该位域.

也可以使用填充的方式,手动设定下个单元存放新的位域.

struct bitTmp3

{

unsigned a:4;

unsigned :0; //空域,不使用

unsigned b:4;

unsigned c:4;

};

a占第一个字节的4位,后4位填0表示不用,b从第二个字节开始占用4位,c占4位

第二:由于位域不可以跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度.

第三:位域可以无位域名,只是用来作填充.无名位域不可访问.

struct bitTmp4

{

int a:1;

int :2; //这里的2位不可以使用

int b:3;

int c:2;

};

---------------------Sample----------------------

union A{

struct st{

unsigned int a: 2;

unsigned int b: 3;

unsigned int c: 4;

}stA;

int n;

}unA;

main()

{

unA.n = 0;

unA.stA.a = 1;

unA.stA.b = 2;

unA.stA.c = 15;

printf("%0x04x",unA.n);

return;

}

//////////////////////////////////////////////////////

//存储方式,x86机器,低字节地址在左,高字节地址在右

// 00000000 00000000 00000000 00000000

//a:2 000000xx 00000000 00000000 00000000

//b:3 000xxxxx 00000000 00000000 00000000

//c:4 xxxxxxxx 0000000x 00000000 00000000

// cccbbbaa c

//a=1 cccbbb01 c

//b=2 ccc01001 c

//c=15 11101001 1

//n 11101001 00000001 00000000 00000000

//n的最终结果为 0x000001e9

//实际的字节填充结果和上面的原则不太符合，，，，

///////////////////////////////////////////////////////

只是一个简要介绍,内容源于网上参考及整理的.

更详细的内容如下：

C语言 位段 位域

2009-04-15 17:07

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节， 而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态， 用一位二进位即可。为了节省存储空间，并使处理简便，C语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域， 并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。一、位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿，其形式为：

struct 位域结构名

{ 位域列表 };

其中位域列表的形式为： 类型说明符 位域名：位域长度

例如：

struct bs

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;

};

位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。 可采用先定义后说明，同时定义说明或者直接说明这三种方式。例如：

struct bs

{

int a:8;

int b:2;

int c:6;

}data;

说明data为bs变量，共占两个字节。其中位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位。对于位域的定义尚有以下几点说明：

1. 一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。例如：

struct bs

{

unsigned a:4

unsigned :0 /*空域*/

unsigned b:4 /*从下一单元开始存放*/

unsigned c:4

}

在这个位域定义中，a占第一字节的4位，后4位填0表示不使用，b从第二字节开始，占用4位，c占用4位。

2. 由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度，也就是说不能超过8位二进位。

3. 位域可以无位域名，这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如：

struct k

{

int a:1

int :2 /*该2位不能使用*/

int b:3

int c:2

};

从以上分析可以看出，位域在本质上就是一种结构类型， 不过其成员是按二进位分配的。

二、位域的使用位域的使用和结构成员的使用相同，其一般形式为： 位域变量名·位域名 位域允许用各种格式输出。

main(){

struct bs

{

unsigned a:1;

unsigned b:3;

unsigned c:4;

} bit,*pbit;

bit.a=1;

bit.b=7;

bit.c=15;

printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);

pbit=&bit;

pbit->a=0;

pbit->b&=3;

pbit->c|=1;

printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);

}

上例程序中定义了位域结构bs，三个位域为a,b,c。说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit。这表示位域也是可以使用指针的。 程序的9、10、11三行分别给三个位域赋值。( 应注意赋值不能超过该位域的允许范围)程序第12行以整型量格式输出三个域的内容。第13行把位域变量bit的地址送给指针变量pbit。第14行用指针方式给位域a重新赋值，赋为0。第15行使用了复合的位运算符"&="， 该行相当于： pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7，与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为3)。同样，程序第16行中使用了复合位运算"|="，
相当于： pbit->c=pbit->c|1其结果为15。程序第17行用指针方式输出了这三个域的值。

C语言中用结构实现位段－－个人心血！值得一看哦！C语言中的结构是有实现位段的能力的，噢！你问它到底是什么形式是吧？这个问题呆会给你答案。让我们先看看位段的作用：位段是在字段的声明后面加一个冒号以及一个表示字段位长的整数来实现的。这种用法又被就叫作“深入逻辑元件的编程”，如果你对系统编程感兴趣，那么这篇文章你就不应该错过！

　　我把使用位段的几个理由告诉大家：

1、它能把长度为奇数的数据包装在一起，从而节省存储的空间；2、它可以很方便地访问一个整型值的部分内容。

　　首先我要提醒大家注意几点：

1、位段成员只有三种类型：int ,unsigned int 和signed int这三种（当然了，int型位段是不是可以取负数不是我说了算的，因为这是和你的编译器来决定的。位段，位段，它是用来表示字段位长（bit）的，它只有整型值，不会有7.2这种float类型的，如果你说有，那你就等于承认了有7.2个人这个概念，当然也没有char这个类型的）；

2、成员名后面的一个冒号和一个整数，这个整数指定该位段的位长（bit）;

3、许多编译器把位段成员的字长限制在一个int的长度范围之内；4、位段成员在内存的实现是从左到右还是从右到左是由编译器来决定的，但二者皆对。

下面我们就来看看，它到底是什么东西（我先假定大家的机器字长为32位）：

　　Struct WORD

　　{

unsigned int chara: 6:

unsigned int font : 7;

unsigned int maxsize : 19;

　　};

　　Struct WORD chone;

　　这一段是从我编写的一个文字格式化软件摘下来的，它最多可以容纳64（既我说的unsigned int chara :6; 它总共是6位）个不同的字符值，可以处理128（既unsigned int font : 7 ;既2的7次方）种不同的字体，和2的19次方的单位长度的字。大家都可以看到maxsize是19位，它是无法被一个short int 类型的值所容纳的，我们又可以看到其余的成员的长度比char还小，这就让我们想起让他们共享32位机器字长，这就避免用一个32位的整数来表示maxsize的位段。怎么样？还要注意的是刚才的那一段代码在16位字长的机器上是无法实现的，为什么？提醒你一下，看看上面提醒的第3点，你会明白的！

你是不是发现这个东西没有用啊？如果你点头了，那你就错了！这么伟大的创造怎么会没有用呢（你对系统编程不感兴趣，相信你会改变这么一个观点的）？磁盘控制器大家应该知道吧？软驱与它的通信我们来看看是怎么实现的下面是一个磁盘控制器的寄存器：

│←5→│←5→│←9→│←8→│←1→│←1→∣←1→∣←1→∣←1→∣

　　上面位段从左到右依次代表的含义为：5位的命令，5位的扇区，9位的磁道，8位的错误代码，1位的HEAD LOADED,1位的写保护，1位的DISK SPINNING，1位的错误判断符，还有1位的READY位。它要怎么来实现呢？你先自己写写看：

　　struct DISK_FORMAT

　　{

　　　unsigned int command : 5;

　　　　　unsigned sector : 5;

　　　unsigned track : 9 ;

　　　unsigned err_code : 8;

　　　unsigned ishead_loaded : 1;

　　　unsigned iswrit_protect : 1;

　　　unsigned isdisk_spinning : 1;

　　　unsigned iserr_ocur : 1;

　　　undigned isready :1 ;

　　};

　　注：代码中除了第一行使用了unsigned int 来声明位段后就省去了int ，这是可行的，详见ANCI C标准。

　　如果我们要对044c18bfH的地址进行访问的话，那就这样：

　　#define DISK ((struct DISK_FORMAT *)0x044c18bf)

　　DISK->sector=fst_sector;

　　DISK->track=fst_track;

　　DISK->command=WRITE;

　　当然那些都是要宏定义的哦！

　　我们用位段来实现这一目的是很方便的，其实这也可以用移位或屏蔽来实现，你尝试过就知道哪个更方便了！

　　我们今天的话题就到这儿，如果诸位还有疑问，可e-mail给我:arhuwen@163.com;

　　特别声明哦：不要把以上内容用于不法行为，否则后果自负。另外本文不可用于任何谋取商业利益的举动，否则同上！

C编译器对结构空间缺省的分配

　　在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间；各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间，见表1：

　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　表1：Win32下的自然对界条件

例如，下面的结构各成员空间分配情况如图1：

struct test {

char x1;

short x2;

float x3;

char x4;

};

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　图1：缺省结构空间分配

　　结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

结构中的位段

　　所谓位段是以位为单位定义长度的结构体类型中的成员。编译器对结构中位段的分配遵从下面几点原则：

? 对于长度为0的位段，其下一个位段从下一个存储单元开始存放：

如：

struct T {

unsigned char a : 1;

unsigned char b : 2;

unsigned : 0;

unsigned c : 3;

};

　　结构T的成员a和b在一个存储单元中，c则在另一个存储单元中。

　　? 一个位段必须存储在同一存储单元中，不能跨两个单元：

如：

struct T {

unsigned char a : 4;

unsigned char b : 6;

};

　　结构T的成员a在一个存储单元中，b则在另一个存储单元中。

更改C编译器的缺省分配策略

　　一般地，可以通过下面的两种方法改变缺省的对界条件：

　　? 使用伪指令#pragma pack (
)

　　? 在编译时使用命令行参数

#pragma pack (
)伪指令允许你选择编译器为数据分配空间所采取的对界策略，见表2：

　　

　　　　　　　　　　　　　　　表2：更改缺省对界条件

　　在Microsfot Visual C++中，命令行参数/Zp
可以改变缺省对界条件；在Borland C++ Builder中，命令行参数-a
可以改变缺省对界条件。n的含义和#pragma pack中的n相同。

　　例如，在使用了#pragma pack (1)伪指令后，test结构各成员的空间分配情况如图2所示：

　　

　　

　　　　　　　　　　　　图2：使用#pragma pack (1)后的结构空间分配

应用实例

　　我们在日常编程工作中，特别是对一些网络事务的处理，经常会同其他人有着各种各样的协议：如我传给你20字节的头，前4个字节表示……等等。很多人都是通过指针偏移的方法来得到各种信息，这样做，不仅编程复杂，而且一旦协议有变化，程序修改起来也比较麻烦。在了解了编译器对结构空间的分配原则之后，我们完全可以利用这一特性定义自己的协议结构，通过访问结构的成员来获取各种信息。这样做，不仅简化了编程，而且即使协议发生变化，我们也只需修改协议结构的定义即可，其它程序无需修改，省时省力。下面以TCP协议首部为例，说明如何定义协议结构。

　　TCP协议首部如图3所示：

　　

　　

　　　　　　　　　　 图3：TCP首部

其协议结构定义如下：

struct TCPHEADER {

short SrcPort; // 16位源端口号

short DstPort; // 16位目的端口号

int SerialNo; // 32位序列号

int AckNo; // 32位确认号

unsigned char HaderLen : 4; // 4位首部长度

unsigned char Reserved1 : 4; // 保留6位中的4位

unsigned char Reserved2 : 2; // 保留6位中的2位

unsigned char URG : 1;

unsigned char ACK : 1;

unsigned char PSH : 1;

unsigned char RST : 1;

unsigned char SYN : 1;

unsigned char FIN : 1;

short WindowSize; // 16位窗口大小

short TcpChkSum; // 16位TCP检验和

short UrgentPointer; // 16位紧急指针

};

其协议结构还可以定义为如下的形式：

struct TCPHEADER {

short SrcPort; // 16位源端口号

short DstPort; // 16位目的端口号

int SerialNo; // 32位序列号

int AckNo; // 32位确认号

unsigned char HaderLen : 4; // 4位首部长度

unsigned char : 0; // 保留6位中的4位

unsigned char Reserved : 2; // 保留6位中的2位

unsigned char URG : 1;

unsigned char ACK : 1;

unsigned char PSH : 1;

unsigned char RST : 1;

unsigned char SYN : 1;

unsigned char FIN : 1;

short WindowSize; // 16位窗口大小

short TcpChkSum; // 16位TCP检验和

short UrgentPointer; // 16位紧急指针