C++ 位域

C++位域(Bit Field)是一种允许在结构体(struct)或联合体(union)中以位为单位分配存储空间的特性，用来节省内存或实现与硬件寄存器的精准映射

基本语法

strcut Example {
	unsigned int a : 3;	// a占3位
	unsigned int b : 5; // b占5位
	unsigned int c : 8; // c占8位
}

在这里，a占3位，b占5位，c占8位

所有成员依然是unsigned int类型，只是存储时按照指定的位数压缩

使用示例

#include <iostream>
using namespace std;

struct Flags {
    unsigned int isVisible : 1;
    unsigned int isEnabled : 1;
    unsigned int hasFocus  : 1;
    unsigned int reserved  : 5;  // 用于对齐或保留
};

int main() {
    Flags f = {1, 0, 1, 0};
    cout << "Visible: " << f.isVisible << endl;
    cout << "Enabled: " << f.isEnabled << endl;
    cout << "HasFocus: " << f.hasFocus << endl;

    cout << "sizeof f: " << sizeof(f) << endl;
    cout << "sizeof Flags: " << sizeof(Flags) << endl;
    return 0;
}

输出：

Visible: 1
Enabled: 0
HasFocus: 1
sizeof f: 4
sizeof Flags: 4

在这个程序中，结构体总共占了8位数，即1个字节，但是unsigned int的大小为4，所以sizeof(Flags)的输出结果通常是4

未命名位域与零宽度位域

• 未命名位域（Unnamed Bit-fields）

    // type : width;
    int : 8;
  

  这会产生一个指定宽度的匿名位域，主要用于填充，即跳过指定的位数

  这些位无法被直接访问

• 零宽度未命名位域（Zero-width Unnamed Bit-field）

    // type : 0;
    int : 0;
  

  这是一个特殊命令，它会强制下一个位域成员从下一个基础类型的边界开始对齐

struct LayoutControl {
    unsigned char a : 3;
    unsigned char   : 2; // 跳过 2 位
    unsigned char b : 3;
    unsigned int    : 0; // 强制下一个成员在新的 unsigned int 边界开始
    unsigned int c : 5;
};

特点

特性	说明
类型	位域必须是整型或枚举类型（如 int, unsigned int, signed int）。
宽度	宽度由冒号后的常量表达式指定（例如 : 3）。
取值范围	对于 n 位的无符号位域，可表示 0 ~ 2^n - 1；有符号则是 -(2^(n-1)) ~ 2^(n-1)-1。
内存对齐	位域通常打包在同一个 int 内存单元中，但实现依赖于编译器。
不可取地址或引用	位域成员 不能取地址，例如：&f.isVisible ❌。
不能创建数组	不能声明位域数组
不能是static	位域不能声明为静态成员
跨单元禁止共享	如果剩余位不足以容纳下一个位域，编译器会从下一个整型单元开始存放。

常见用途

应用场景	示例
节省内存	嵌入式系统或通信协议中保存大量布尔标志位。
硬件寄存器映射	与硬件设备寄存器的一位一位对应。
网络协议头	如 TCP/IP 报文头结构的位级定义。