구조체 비트 필드 structure bit field

"구조체(structure)의 비트 필드(bit field)" 는 구조체의 정수 타입의 멤버 변수를 

비트 단위로 쪼개서 사용할 수 있게끔 해주는 방법이다.

사용법 :

struct 구조체 이름 {      정수형type 변수명 : 비트수 }

정수형type : (unsigned, signed)char, short, int, long 

#include <stdio.h>
  
struct normal {
        unsigned char ch1;
        unsigned char ch2;
};
struct bit_field {
        unsigned char ch1 : 3;
        unsigned char ch2 : 2;
};
 
int main()
{
        printf("normal size : %d, bit_field size : %d \n",
                 sizeof(struct normal), sizeof(struct bit_field));
 
        return 0;
}

실행 결과 : normal size : 2, bit_field size : 1

bit_field 구조체는 char타입 1byte 만 메모리에 할당하고 

ch1이 3bit, ch2가 2bit를 사용한다.

그림으로 그려보면 bit_field 구조체는 다음과 같이 된다.

#include <stdio.h>
  
struct bit_field {
        unsigned int int1 : 3;
        unsigned char ch1 : 2;
};
 
int main()
{
        printf("bit_field size : %d \n",
                 sizeof(struct bit_field));
 
        return 0;
}

실행 결과 : bit_field_size: 4

만약 정수형 data type이 섞여 있다면,  구조체는 위와 같이

가장 큰 타입의 크기를 따르게 된다. (비록 5bit만 쓸지라도 char가 아닌, unsigned int로 크기를 할당함)

#include <stdio.h>
  
struct bit_field {
        unsigned char ch1 : 7;
        unsigned char ch2 : 2;
};
 
int main()
{
        printf("bit_field size : %d \n",
                 sizeof(struct bit_field));
 
        return 0;
}

실행 결과 : bit_field_size: 2

만약,  사용할 bit의 합(위 경우 total 9bit) 이 할당할 data type (위 경우 unsigned char, 8bit)보다 크다면, 

할당할 data type크기 만큼 더 증가하여 할당한다. 

멤버가 unsigned 가 아닌, signed의 경우 MSB는?

할당된 bit중,  그 최상위 bit가 MSB 역할을 한다.

아래는 이해를 돕기 위한 코드.

#include <stdio.h>
  
struct bit_field {
        int int1 : 3;
};
 
int main()
{
        struct bit_field test;
        int i;
 
        for (test.int1 = 0, i = 0; i < 10; i++) {
                printf("[i:%d] int1 : %d \n", i, test.int1);
                test.int1++;
        }
 
        return 0;
}
 

실행 결과 :

i	멤버 int1 값	십진수	참고
0	000	0
1	001	1
2	010	2
3	011	3
4	100	-4	011(보수) + 1 --> 100 = 4 결과에 마이너스
5	101	-3	010(보수) + 1 --> 011 = 3 결과에 마이너스
6	110	-2	001(보수) + 1 --> 010 = 2 결과에 마이너스
7	111	-1	000(보수) + 1 --> 001 = 1 결과에 마이너스
8	000	0	1000 --> 000
9	001	1

그럼 구조체 비트 필드를 왜 쓰는 것일까?

1. 임베디드 시스템 환경에서는 메모리 사이즈가 넉넉하지 않은 경우가 많다. 

   구조체 비트필드를 활용하면 메모리 사이즈를 줄일 수 있다. 

   (ex, true / false 를 위한 boolean flag로 1bit만 할애할 수 있다.)

2. 실수로 값을 잘못 assign 해 준 것을 warning message로 쉽게 알 수 있다. 

#include <stdio.h>
  
struct bit_field { 
        int int1 : 3; 
};
 
int main()
{
        struct bit_field test;
        int i;
 
        test.int1 = 10;
 
        return 0;
}
 

위 코드를 실행하면

위와 같은 에러를 띄어준다. (the value exceeds its type size 와 같은 warning이 나올 수도 있음)