C语言struct位域符号问题

C语言位域符号问题

1. 引言

本来没打算写这篇文章，但最近在项目中遇到了位域这个问题，问题大概就是，在没有越界的情况下，一个位域吃进去的值和吐出来的值居然不一样，虽然知道位域这个东西比较节省空间，但从没有深究这个东西，现在既然遇到坑了，就研究了一下，拿出来和大家分享一下，也不是很难的东西，算是生活常识吧。

2. 结论及测试程序

由于知识点比较简单，我就先说结论吧。结论就是：（1）对于有符号类型的位域，最高位会被解析为符号位，在进行%d输出时，会以算术移位进行位扩展。比如一个位域 int32_t a : 4， 在进行%d输出时，会将a从4位扩展成32位，中间扩展的内容和符号位相同，即算术移位；（2）对于无符号类型的位域，不存在符号位，在进行扩展时，扩展位全部补0。测试程序如下：

#include <iostream>#include <stdio.h>#include <stdint.h>using namespace std;struct SignedNode {    int32_t a : 2;    int32_t b : 2;    int32_t c : 2;};struct UnsignedNode {    uint32_t a : 2;    uint32_t b : 2;    uint32_t c : 2;};int main(int args, char *arg[]) {    SignedNode s_node;    UnsignedNode us_node;     s_node.a = 1;    s_node.b = 2;    s_node.c = 3;    us_node.a = 1;    us_node.b = 2;    us_node.c = 3;    printf("SignedNode Dec Value: a = %d, b = %d, c = %d\n", s_node.a, s_node.b, s_node.c);    printf("UnsignedNode Dec Value: a = %d, b = %d, c = %d\n", us_node.a, us_node.b, us_node.c);    printf("SignedNode Hex Value: a = %p, b = %p, c = %p\n", s_node.a, s_node.b, s_node.c);    printf("UnsignedNode Hex Value: a = %p, b = %p, c = %p\n", us_node.a, us_node.b, us_node.c);    return 0;}

测试环境为：gcc 4.8.2

测试结果为：

SignedNode Dec Value: a = 1, b = -2, c = -1
UnsignedNode Dec Value: a = 1, b = 2, c = 3
SignedNode Hex Value: a = 0x1, b = 0xfffffffe, c = 0xffffffff
UnsignedNode Hex Value: a = 0x1, b = 0x2, c = 0x3

3.测试结果分析

（1）SignedNode的测试中，a，b，c各占2位，二进制分别位01，10，11，符号位的值分别位0，1，1，它们的类型仍旧是int32_t，在进行%d输出时，会把它们扩展成int32_t类型，扩展后变成a = 0x00000001，b = 0xFFFFFFFE，c = 0xFFFFFFFF，转换成十进制也就是1，-2，-1。

（2）UnsignedNode的测试中，a，b，c也各占2位，二进制分别为01，10，11，由于都是uin32_t类型，所以不存在符号位，但仍旧需要扩展成uint32_t类型，所以直接高位补0即可，扩展后变成a = 0x00000001，b = 0x00000002，c = 0x00000003，转换成十进制也就是1，2，3。

综上所示，位域的扩展实际和位域本身的类型息息相关，对于有符号类型和无符号类型扩展后的结果不同，但二者扩展的原理相同。我尝试过用共用体按字节打印出SignedNode的内容，但每次输出的结果都不同，看不出位域在存储层面的结构，而且位域地址打印也不合法，可能是自己方法不得当，如果有哪位大神知道如何从存储层面分析位域的好方法，还望指点一二，不甚感激。