Effiziente Speichernutzung mit C-Bitfeldern

Angenommen, Ihr C-Programm enthält mehrere TRUE/FALSE-Variablen, gruppiert in einer Struktur namens status:

struct {
    unsigned int widthValidated;
    unsigned int heightValidated;
} status;

Diese Struktur benötigt 8 Bytes Speicher (2 × 4 Bytes für int), obwohl wir nur 0 oder 1 in jeder Variable speichern. C bietet eine bessere Möglichkeit, Speicher in solchen Situationen zu nutzen.

Wenn Sie solche Variablen in einer Struktur verwenden, können Sie die Breite einer Variablen definieren, was dem C-Compiler mitteilt, dass Sie nur diese Anzahl Bits benötigen. Die obige Struktur kann umgeschrieben werden als:

struct {
    unsigned int widthValidated : 1;
    unsigned int heightValidated : 1;
} status;

Diese Struktur benötigt nun 4 Bytes für die status-Variable, aber nur 2 Bits werden für die Werte verwendet.

Wenn Sie bis zu 32 Variablen mit je 1 Bit Breite verwenden, belegt die Struktur immer noch 4 Bytes. Ab 33 Variablen wird der nächste Speicherslot allokiert (8 Bytes). Beispiel:

Beispiel: Speichervergleich

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct {
    unsigned int widthValidated;
    unsigned int heightValidated;
} status1;

struct {
    unsigned int widthValidated : 1;
    unsigned int heightValidated : 1;
} status2;

int main() {
    printf("Speicher status1 (normal): %zu Bytes\n", sizeof(status1));
    printf("Speicher status2 (bit fields): %zu Bytes\n", sizeof(status2));
    return 0;
}

Ausgabe:

Speicher status1 (normal): 8 Bytes
Speicher status2 (bit fields): 4 Bytes

Bit-Feld-Deklaration

Die Deklaration eines Bit-Feldes hat folgende Form innerhalb einer Struktur:

struct {
    typ [mitgliedsname] : breite;
};

Beschreibung der Elemente:

Variablen mit vordefinierter Breite heißen Bit-Felder. Ein Bit-Feld kann mehr als ein einzelnes Bit halten; z. B. für Werte 0–7 benötigen Sie 3 Bits:

struct {
    unsigned int age : 3;
} Age;

Dies weist den Compiler an, age nur 3 Bits zuzuweisen. Versucht man, einen Wert > 7 zu speichern, wird er abgeschnitten (Modulo 8).

Beispiel: Bit-Feld-Überlauf

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct {
    unsigned int age : 3;
} Age;

int main() {
    Age.age = 4;
    printf("sizeof(Age): %zu\n", sizeof(Age));
    printf("Age.age: %d\n", Age.age);

    Age.age = 7;
    printf("Age.age: %d\n", Age.age);

    Age.age = 8; // Überlauf: 8 % 8 = 0
    printf("Age.age: %d\n", Age.age);

    return 0;
}

Ausgabe (mit Compiler-Warnung):

sizeof(Age): 4
Age.age: 4
Age.age: 7
Age.age: 0

Weitere Bit-Feld-Beispiele

struct {
    unsigned int isReady : 1;
    unsigned int isEnabled : 1;
    unsigned int mode : 3;      // 0-7
    unsigned int priority : 4;  // 0-15
    unsigned int : 0;           // Erzwingt Ausrichtung auf nächste Wortgrenze
    unsigned int reserved : 8;
} flags;

Hinweis: Ein Bit-Feld der Breite 0 (:0) erzwingt die Ausrichtung auf die nächste Wortgrenze. Namelose Bit-Felder (ohne Mitgliedsnamen) können als Padding verwendet werden.