C 語言位段完整指南：定義、使用規則與記憶體佈局詳解

什麼是位段？

位段以位為單位定義結構體成員佔用空間，既能節省空間，又方便位元操作。含位段的結構稱為位段結構。

語法格式

type [var]: digits

• type：僅限 int、unsigned int、signed int
• var：可選，可省略（無名位段）
• digits：佔用二進制位數

定義範例

struct node {
    unsigned int a:4;   // 位段 a，佔 4 位
    unsigned int  :0;   // 無名位段，佔 0 位（強制對齊）
    unsigned int b:4;   // 位段 b，佔 4 位
    int c:32;           // 位段 c，佔 32 位
    int   :6;           // 無名位段，佔 6 位
};

使用規則（8 大注意事項）

1. 型別僅限 int、unsigned int、signed int
2. 位數不可超過基本型別最大位數（VC 中 int 32 位）
3. 無名位段不可存取，但佔空間
4. 不可對位段取址（&）
5. 位數為 0 的位段必須是無名，下一位段從新儲存單元開始
6. 位段用於運算式時自動整型提升為 int/unsigned int
7. 賦值勿超過位段表示範圍，否則結果未定義
8. 位段不能組成陣列

記憶體儲存原則（VC 環境，位段儲存單元 = 4 位元組）

1. 若單一儲存單元能容納所有成員，全部放在同一單元；否則剩餘成員放入下一單元
2. 唯一一個 0 位無名位段：C 佔 0 位元組，C++ 佔 1 位元組；其他情況至少佔一個儲存單元

實測程式與結果分析

typedef struct { unsigned int a:1; } S;           // 4 Bytes
typedef struct { unsigned int :0; } S1;           // C:0, C++:1
typedef struct { unsigned int a:1; unsigned int :0; unsigned c:32; } S2; // 8 Bytes
typedef struct { unsigned int a:4; unsigned int :0; int :6; unsigned c:32; } S3; // 12 Bytes
typedef struct { unsigned int a:1; char b; int c:1; int d:2; unsigned int e:2; } S4; // 4 Bytes

輸出結果

1 -1 -2 3
4 1 8 12 4

異常值解析

• c 只有 1 位（符號位），賦 1 後符號擴展為 -1
• d 佔 2 位，賦 2（二進制 10）符號擴展為 0xFFFFFFFE = -2

結構體大小計算口訣

1. 成員依序排列，各自對齊到其型別位數
2. 遇 :0 強制換到下一儲存單元
3. 結構體總大小必須是最寬成員對齊值的整數倍