位字段

操控位的第2种方法是位字段（bit field）。位字段是一个signed int或unsigned int类型变量中的一组相邻的位（C99和C11新增了_Bool类型的位字段）。位字段通过一个结构声明来建立，该结构声明为每个字段提供标签，并确定该字段的宽度。例如，下面的声明建立了一个4个1位的字段：

struct {
    unsigned int autfd : 1;
    unsigned int bldfc : 1;
    unsigned int undln : 1;
    unsigned int itals : 1;
} prnt;

根据该声明，prnt 包含 4 个 1 位的字段。现在，可以通过普通的结构成员运算符（.）单独给这些字段赋值：

prnt.itals = 0;
prnt.undln = 1;

由于每个字段恰好为1位，所以只能为其赋值1或0。变量prnt被储存在int大小的内存单元中，但是在本例中只使用了其中的4位。带有位字段的结构提供一种记录设置的方便途径。许多设置（如，字体的粗体或斜体）就是简单的二选一。例如，开或关、真或假。如果只需要使用 1 位，就不需要使用整个变量。内含位字段的结构允许在一个存储单元中储存多个设置。有时，某些设置也有多个选择，因此需要多位来表示。这没问题，字段不限制 1 位大小。可以使用如下的代码：

struct {
    unsigned int code1 : 2;
    unsigned int code2 : 2;
    unsigned int code3 : 8;
} prcode;

以上代码创建了两个 2 位的字段和一个 8 位的字段。可以这样赋值：

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

但是，要确保所赋的值不超出字段可容纳的范围。如果声明的总位数超过了一个unsigned int类型的大小会怎样？会用到下一个unsigned int类型的存储位置。
一个字段不允许跨越两个unsigned int之间的边界。编译器会自动移动跨界的字段，保持unsigned int的边界对齐。一旦发生这种情况，第1个unsigned int中会留下一个未命名的“洞”。
可以用未命名的字段宽度“填充”未命名的“洞”。使用一个宽度为0的未命名字段迫使下一个字段与下一个整数对齐（注意：只有未命名字段的大小才能为0，命名字段的大小不能设为0）：

struct {
    unsigned int field1  : 1 ;
    unsigned int      : 2 ;
    unsigned int field2  : 1 ;
    unsigned int      : 0 ;
    unsigned int field3  : 1 ;
} stuff;
printf("size of stuff = %zu\n", sizeof(stuff));//结果是size of stuff = 8

这里，在 stuff.field1 和 stuff.field2 之间，有一个 2 位的空隙；stuff.field2和stuff.field3之间是一个宽度为0的未命名字段，那么，stuff.field3 将储存在下一个 unsigned int 中。

struct {
    unsigned int field1  : 1 ;
    unsigned int      : 2 ;
    unsigned int field2  : 1 ;
    unsigned int      : 1 ;
    unsigned int field3  : 1 ;
} stuff;
printf("size of stuff = %zu\n", sizeof(stuff));//结果是size of stuff = 4

字段储存在一个 int 中的顺序取决于机器。在有些机器上，存储的顺序是从左往右，而在另一些机器上，是从右往左。另外，不同的机器中两个字段边界的位置也有区别。由于这些原因，位字段通常都不容易移植。尽管如此，有些情况却要用到这种不可移植的特性。例如，以特定硬件设备所用的形式储存数据。

位字段示例

通常，把位字段作为一种更紧凑储存数据的方式。例如，假设要在屏幕上表示一个方框的属性。为简化问题，我们假设方框具有如下属性：

方框是透明的或不透明的；
方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。

可以使用单独的变量或全长（full-sized）结构成员来表示每个属性，但是这样做有些浪费位。例如，只需 1 位即可表示方框是透明还是不透明；只需 1 位即可表示边框是显示还是隐藏。8 种颜色可以用 3 位单元的 8 个可能的值来表示，而 3 种边框样式也只需 2 位单元即可表示。总共 10 位就足够表示方框的 5 个属性设置。
一种方案是：一个字节储存方框内部（透明和填充色）的属性，一个字节储存方框边框的属性，每个字节中的空隙用未命名字段填充。struct box_props声明如下：
```
struct box_props {
  bool opaque　　　　　　　　 : 1 ;
  unsigned int fill_color　　: 3 ;
  unsigned int　　　　　　　　: 4 ;
  bool show_border　　　　　 : 1 ;
  unsigned int border_color　: 3 ;
  unsigned int border_style　: 2 ;
  unsigned int　　　　　　　　: 2 ;
};
```
加上未命名的字段，该结构共占用 16 位。如果不使用填充，该结构占用 10 位。但是要记住，C 以 unsigned int 作为位字段结构的基本布局单元。因此，即使一个结构唯一的成员是 1 位字段，该结构的大小也是一个 unsigned int 类型的大小，unsigned int 在我们的系统中是 32 位。另外，以上代码假设 C99 新增的_Bool 类型可用，在 stdbool.h 中，bool 是_Bool 的别名。
对于 opaque 成员，1 表示方框不透明，0 表示透明。show_border 成员也用类似的方法。对于颜色，可以用简单的 RGB（即 red-green-blue 的缩写）表示。这些颜色都是三原色的混合。显示器通过混合红、绿、蓝像素来产生不同的颜色。在早期的计算机色彩中，每个像素都可以打开或关闭，所以可以使用用 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、中间位表示绿色亮度、右侧位表示红色亮度。下表 1 列出了这 8 种可能的组合。fill_color 成员和 border_color 成员可以使用这些组合。最后，border_style 成员可以使用 0、1、2 来表示实线、点线和虚线样式。

表1简单的颜色表示

程序清单中的程序使用 box_props 结构，该程序用#define 创建供结构成员使用的符号常量。注意，只打开一位即可表示三原色之一。其他颜色用三原色的组合来表示。例如，紫色由打开的蓝色位和红色位组成，所以，紫色可表示为 BLUE|RED。
程序清单 fields.c 程序：

#include <stdbool.h> // C99定义了bool、true、false
#include <stdio.h>
/* 线的样式 */
#define SOLID 0
#define DOTTED 1
#define DASHED 2
/* 三原色 */
#define BLUE 4
#define GREEN 2
#define RED 1
/* 混合色 */
#define BLACK 0
#define YELLOW (RED | GREEN)
#define MAGENTA (RED | BLUE)
#define CYAN (GREEN | BLUE)
#define WHITE (RED | GREEN | BLUE)
const char *colors[8] = {"black", "red",     "green", "yellow",
                         "blue",  "magenta", "cyan",  "white"};
struct box_props {
  bool opaque : 1;
  // 或者 unsigned int （C99以前）
  unsigned int fill_color : 3;
  unsigned int : 4;
  bool show_border : 1;
  // 或者 unsigned int （C99以前）
  unsigned int border_color : 3;
  unsigned int border_style : 2;
  unsigned int : 2;
};
void show_settings(const struct box_props *pb);
int main(void) {
  /* 创建并初始化 box_props 结构 */
  struct box_props box = {true, YELLOW, true, GREEN, DASHED};
  printf("size of box:%lu\n", sizeof(box));
  printf("Original box settings:\n");
  show_settings(&box);
  box.opaque = false;
  box.fill_color = WHITE;
  box.border_color = MAGENTA;
  box.border_style = SOLID;
  printf("\nModified box settings:\n");
  show_settings(&box);
  return 0;
}
void show_settings(const struct box_props *pb) {
  printf("Box is %s.\n", pb->opaque == true ? "opaque" : "transparent");
  printf("The fill color is %s.\n", colors[pb->fill_color]);
  printf("Border %s.\n", pb->show_border == true ? "shown" : "not shown");
  printf("The border color is %s.\n", colors[pb->border_color]);
  printf("The border style is ");
  switch (pb->border_style) {
  case SOLID:
    printf("solid.\n");
    break;
  case DOTTED:
    printf("dotted.\n");
    break;
  case DASHED:
    printf("dashed.\n");
    break;
  default:
    printf("unknown type.\n");
  }
}

下面是该程序的输出：

Original box settings:
Box is opaque.
The fill color is yellow.
Border shown.
The border color is green.
The border style is dashed.
Modified box settings:
Box is transparent.
The fill color is white.
Border shown.
The border color is magenta.
The border style is solid.

该程序要注意几个要点。
首先，初始化位字段结构与初始化普通结构的语法相同：
struct box_props box = {YES, YELLOW , YES, GREEN, DASHED};
类似地，也可以给位字段成员赋值：
box.fill_color = WHITE;
另外，switch 语句中也可以使用位字段成员，甚至还可以把位字段成员用作数组的下标：
printf(“The fill color is %s.\n”, colors[pb->fill_color]);
注意，根据 colors 数组的定义，每个索引对应一个表示颜色的字符串，而每种颜色都把索引值作为该颜色的数值。例如，索引 1 对应字符串”red”，枚举常量 red 的值是 1。

C/C++

[转]位字段bit field

位字段

位字段示例