(转)C/C++ 结构体的一个高级特性 ―― 指定成员的位数

原文：http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2006/10/07/1054807.aspx

在大多数情况下，我们一般这样定义结构体：
struct student
{
       unsigned int sex;
       unsigned int age;
};
对于一般的应用，这已经能很充分地实现数据了的“封装”。
但是，在实际工程中，往往碰到这样的情况：那就是要用一个基本类型变量中的不同的位表示不同的含义。譬如一个cpu内部的标志寄存器，假设为16 bit，而每个bit都可以表达不同的含义，有的表示结果是否为0，有的表示是否越界等等。这个时候我们用什么数据结构来表达这个寄存器呢？
答案还是结构体！
为达到此目的，我们要用到结构体的高级特性，那就是在基本成员变量的后面添加：
: 数据位数
组成新的结构体：
struct xxx
{
       成员1类型成员1 : 成员1位数;
       成员2类型成员2 : 成员2位数;
       成员3类型成员3 : 成员3位数;
};
基本的成员变量就会被拆分！这个语法在初级编程中很少用到，但是在高级程序设计中不断地被用到！
例如：
struct student
{
       unsigned int sex : 1;
       unsigned int age : 15;
};
上述结构体中的两个成员sex和age加起来只占用了一个unsigned int的空间（假设unsigned int为16位）。
基本成员变量被拆分后，访问的方法仍然和访问没有拆分的情况是一样的，例如：
struct student sweek;
sweek.sex = MALE;
sweek.age = 20;
虽然拆分基本成员变量在语法上是得到支持的，但是并不等于我们想怎么分就怎么分，例如下面的拆分显然是不合理的：
struct student
{
       unsigned int sex : 1;
       unsigned int age : 12;
};
这是因为1+12 = 13，不能再组合成一个基本成员，不能组合成char、int或任何类型，这显然是不能“自圆其说”的。
在拆分基本成员变量的情况下，我们要特别注意数据的存放顺序，这还与CPU是Big endian还是Little endian来决定。Little endian和Big endian是CPU存放数据的两种不同顺序。对于整型、长整型等数据类型，Big endian认为第一个字节是最高位字节（按照从低地址到高地址的顺序存放数据的高位字节到低位字节）；而Little endian则相反，它认为第一个字节是最低位字节（按照从低地址到高地址的顺序存放数据的低位字节到高位字节）。
我们定义IP包头结构体为：
struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
       __u8       ihl:4,
              version:4;
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
       __u8       version:4,
            ihl:4;
#else
#error       "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
       __u8       tos;
       __u16       tot_len;
       __u16       id;
       __u16       frag_off;
       __u8       ttl;
       __u8       protocol;
       __u16       check;
       __u32       saddr;
       __u32       daddr;
       /*The options start here. */
};
在Little endian模式下，iphdr中定义：
       __u8       ihl:4,
              version:4;
其存放方式为：
第1字节低4位 ihl
第1字节高4位 version （IP的版本号）
若在Big endian模式下还这样定义，则存放方式为：
第1字节低4位 version （IP的版本号）
第1字节高4位 ihl
这与实际的IP协议是不匹配的，所以在Linux内核源代码中，IP包头结构体的定义利用了宏：
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
…
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
…
#endif
来区分两种不同的情况。
由此我们总结全文的主要观点：
（1）       C/C++语言的结构体支持对其中的基本成员变量按位拆分；
（2）       拆分的位数应该是合乎逻辑的，应仍然可以组合为基本成员变量；
要特别注意拆分后的数据的存放顺序，这一点要结合具体的CPU的结构。