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15.4　位字段

对位进行操作的第二种方法是使用位字段（bit field），位字段是一个signed int或unsigned int中一组相邻的位（C99还允许_Bool类型位字段）。位字段由一个结构声明建立，该结构声明为每个字段提供标签，并决定字段的宽度。例如，以下声明建立了 4个1位字段：

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该定义使prnt包含4个1位字段。现在，您可以使用普通的结构成员运算符将值赋给单独的字段：

因为每个字段都正好为1位，所以1和0是惟一可以用于赋值的值。变量prnt被存储在一个int大小的存储单元中，但是在本例中仅有其中的4位被使用。

带有位字段的结构提供一种保存设置的方便的方法。许多设置，如字体的粗体或斜体，是简单的二选一问题，例如打开或关闭，是或否，真或假。在您只需要单个位时，不需要使用整个变量。带有位字段的结构允许您在单个单元中存储多项设置。

有时，对于某个设置有两个以上的选择，因此您需要用多位来表示所有的选择。因为字段不限于1位大小，所以这不是一个问题。您可以使用如下代码：

这段代码创建两个2位字段和一个8位字段。您可以使用以下方法进行赋值：

只须确保值没有超出字段的容量。

如果您所声明的总位数超过一个unsigned int大小,那么将会发生什么？那将会使用下一个unsigned int存储位置。不允许一个字段跨越两个unsigned int之间的边界。编译器自动地移位一个这样的字段定义，使字段按unsigned int边界对齐。发生这种情况时，会在第一个unsigned int中留下一个未命名的洞。

您可以使用未命名的字段宽度“填充”未命名的洞。使用一个宽度为0的未命名的字段迫使下一个字段与下一个整数对齐：

这里，stuff.fieldl和stuff.field2之间有一个2位的间隙，stuff.field3存储在下一个int中。

一个重要的机器依赖性是将字段放置到一个int中的顺序。在有些机器上,这个顺序是从左向右；在另一些机器上顺序是从右向左。另外，不同机器在两个字段间边界的位置上也有区别。由于这些原因，位字段往往难以移植。典型地，把它们用于不可移植的用途，例如按照某个特定硬件设备所使用的确切格式来存放数据。

15.4.1　位字段实例

位字段通常作为存储数据的一个更加紧凑的方法。例如，假设您决定表示一个在屏幕上的方框的属性。让我们使问题更简单，假设方框具有如下属性：

●　框是不透明的或透明的。

●　框的填充色选自以下调色板：黑色、红色、绿色、黄色、蓝色、紫色、青色或白色。

●　边框可见或隐藏。

●　边框颜色与填充色使用相同的调色板。

●　边框可以使用实线、点线或虚线样式。

您可以使用一个单独的变量或全长结构成员来表示每个属性，但是这样做有点浪费数据位。例如，您只需要1位来指明方框是不透明还是透明，只需要1位来指明边框是显示还是隐藏。可以使用3位单元的8个可能值来表示8种可能的颜色值，并且2位单元也足以表示3种可能的边框样式。那么，总共10位就足够表示这5个属性所有可能的设置。

下面是这些信息的一种可能的表示方式；struct box_props声明使用未命名字段将与填充有关的信息放置在一个字节中，将与边框有关的信息放置在第二个字节中。struct box_props的声明如下：

未命名字段的填充使该结构总共占用了 16位。如果没有填充，那么该结构将为10位。然而，请记住，C使用unsigned int作为位字段结构的基本布局单元。因此，即使一个结构的惟一成员是1位字段，该结构的大小也与一个unsigned int的大小相同，unsigned int在我们的系统中为32位。

您可以令成员opaque使用值1指明该框是不透明的，使用值0指明该框透明。可以对成员show_border使用同样的方法。对于颜色，您可以使用简单的RGB（代表red-green-blue）表示。这些颜色是混合光的三原色。监视器混合红、绿、蓝像素以重新产生不同的颜色。在早期的计算机色彩中，每个像素可以是打开或关闭状态，所以您可以使用1位来表示三原色中每个二进制颜色的亮度。常用的顺序是左侧位表示蓝色亮度，中间的位表示绿色亮度，右侧位表示红色亮度。表15.3显示了 8种可能的组合。这些组合可以作为成员fill_color和border_color的值来使用。最后，您可以选择让0、1和2表示实线、点线和虚线样式；它们可以作为成员border_style的值来使用。

表15.3　简单的颜色表示法

程序清单15.3在一个简单的示例程序中使用结构box_props。它使用#define为可能的成员值创建符号常量。请注意，通过仅打开1位来表示三原色，可以使用三原色的组合来表示其他颜色。例如，紫色包含打开的蓝色位和红色位，因此可以使用BLUEIRED来表示紫色。

程序清单15.3　fields.c程序

下面输出

这里有几点需要注意。第一，可以使用与初始化普通的结构相同的语法来初始化一个位字段结构：

类似地，您可以为位字段成员赋值：

您还可以使用位字段成员作为switch语句的值表达式。您甚至可以把位字段成员用作一个数组索引：

请注意，数组colors的定义使得每个数组索引对应于一个表示颜色的字符串，而该颜色又将这个索引值作为其数字颜色值。例如，数组索引1对应于字符串“red”，并且红色的颜色值也为1。

15.4.2　位字段和位运算符

位字段和位运算符对于同类的编程问题是两种可供选择的方法。也就是说，您通常可以使用其中任何一种方法。例如，在前面的实例中，用大小为unsigned int的结构存放关于一个图形框的信息。作为代替，您也可以使用unsigned int变量来保存相同的信息。这样，不是使用结构成员符号来访问不同的部分，而是使用位运算符来达到这个目的。通常这种方法稍微麻烦一些。让我们来研究同时使用这两种方法的实例（两种方法都使用的原因是为了解释其中的不同，而不是暗示同时使用这两种方法是一个好主意）。

您可以使用一个联合来组合使用结构方法和位方法。给定struct box_props类型的定义，您可以声明以下联合：

在某些系统上，一个unsigned int与一个box_props结构都占用16位的内存。在其他系统上，例如作者的系统上，unsigned int和box_props都为32位。在每种情况中，通过该联合，您都可以用成员st_view将一块内存看作一个结构，或者使用成员ui_view将相同的内存块看作一个unsigned int。结构的哪一个位字段与unsigned int中的哪一位相对应？这依赖于实现和硬件。在使用Microsoft Visual C/C++ 7.1的IBM PC上，从低位端向高位端将结构载入内存。换句话说，结构中的第一个位字段放入字的0位（为了简单，图15.3使用16位单元解释这种思想）。

图15.3　整数和结构的联合

程序清单15.4通过使用Views联合比较位字段方法和位运算方法。在该程序清单中，box是一个Views联合，因此box.st_view是一个使用位字段的box_prop结构，box.ui_view把相同的数据看作一个unsigned int。

记得一个联合允许其第一个成员被初始化，因此，初始化值和结构相匹配。程序使用一个基于结构的函数和一个基于unsigned int的函数来显示box属性。两种方式都允许你访问数据，但是技术不同。该程序也使用本章前面定义的itobs()函数以二进制字符串形式显示数据，这样您可以看到哪些位是打开的，哪些位是关闭的。

程序清单15.4　dualview.c程序

下面是输出：

这里有几点需要讨论。位字段和按位视图之间的一个区别是按位视图需要位置信息。例如，我们使用BLUE表示蓝色。这个常量的数字值为4。但是，由于在结构中数据的排列方式，实际保存填充色的蓝色设置的位是位3 (请记住，编号方式从0开始，参见图15.1)，而且保存边框颜色的蓝色设置的位是位11。因此，该程序定义了一些新的常量：

这里，如果仅把位3设为1，那么值为0x 8；如果仅把位11设为1，那么值为0x800。您可以使用第一个常量设置填充色的蓝色位，使用第二个常量设置边框颜色的蓝色位。使用十六进制的表示方法很容易看出哪些位相关。记得每个十六进制的数字代表4位。因此，0x800和0x8具有相同的位模式，只是后边8位都填上0。但在它们的等值的十进制数看来，2048和8之间的关系就不那么明显了。

如果值为2的幂，那么您可以使用左移运算符来提供值。例如，您可以使用以下语句来代替上面的#define语句：

这里，第二个操作数是2的幂次。也就是说，0×8是2的3次幂，0×800是2的11次幂。同样地，表达式1<<n是第n位设为1的整数的值。表达式1<<11是常量表达式，在编译时对其求值。

您可以使用枚举的方法代替#define来创建符号常量。例如，您可以使用以下语句：

如果您不想创建枚举变量，那么就不需要在声明中使用标记。

请注意，使用位运算符改变设置更为复杂。例如，考虑将填充色设为青色。仅仅打开蓝色位和绿色位是不够的：

问题是该颜色也依赖于红色位设置。如果已经设置了该位（比如对于黄色），这段代码保留了红色位设置，并设置了蓝色和绿色位，结果是产生白色。解决该问题最简单的方法是在设置新值之前首先将所有颜色位关闭。这就是程序使用下面代码的原因：

为了展示如果你不首先清除相关位的结果，程序还做了如下事情：

由于BORDER_GREEN位已经设置过，结果颜色就是BORDER_GREEN IBORDER_RED，这被解释为黄色。在这种情况下，使用位字段方法更简单：

您不需要首先清空所有位。而且，使用位字段成员时，您可以对填充色和边框颜色使用相同的颜色值；但是对于位运算符方法，您需要使用不同的值（这些值反映实际位的位置）。

其次，比较下面两个打印语句：

在第一个语句中，表达式pb->border_color值的范围是0到7，因此该表达式可以作为数组colors的索引。使用位运算符获得相同的信息更加复杂。一种方法是使用ui>>9将边框颜色位右移到该值的最右端（位0到2）。然后，将该值与掩码07组合，因此关闭了最右端3位以外所有的位。结果也是在0到7的范围内，可以作为数组colors的索引。