C语言结构体内存对齐问题小结

1.结构体内存对齐

我们已经基本掌握了结构体的使用了。那我们现在必须得知道结构体在内存中是如何存储的？内存是如何分配的？所以我们得知道如何计算结构体的大小？这就引出了我们今天所要探讨的内容：结构体内存对齐。

1.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：
1. 结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
2. 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
对齐数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与 该成员变量大小的 较⼩值。
- vs 中默认对齐数的值为 8
- linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的大小
3. 结构体总大小为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的
整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构
体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

范例1：

//范例1
struct s1
{
	char c1;//1 8 1
	int i;  //4 8 4
	char c2;//1 8 1
};
int main()
{
	struct s1 s1 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s1));
	return 0;
}

我们画图分析一下：

我们运行一下结果看看，是不是12个字节：

确实是12个字节，这就说明，结构体在内存存储中，存在内存对齐的原则。

范例2：

//范例2
struct s2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	struct s2 s2 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s2));
	return 0;
}

同样的道理：

运行结果：

范例3：

//范例3
struct s3
{
	double d;//8 8 8
	char c;  //1 8 1
	int i;   //4 8 4
};
int main()
{
	struct s3 s3 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s3));
	return 0;
}

运行结果：

范例4：

//范例4
struct s3
{
	double d;//8 8 8
	char c;  //1 8 1
	int i;   //4 8 4
};
struct s4
{
	char c1;
	struct s3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	struct s4 s4 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s4));
	return 0;
}

运行结果：

1.2 为什么存在内存对齐？

⼤部分的参考资料都是这样说的：
1. 平台原因 (移植原因)：
不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2.性能原因：
数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在⾃然边界上对⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地 址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到：
让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

 //例如：
 struct s1
 {
     char c1;//1 8 1
     int i;  //4 8 4
     char c2;//1 8 1
 };
//sizeof(struct s1) -> 12个字节
 struct s2
 {
     char c1;//1 8 1
     char c2;//1 8 1
     int i;  //4 8 4
 };
//sizeof(struct s2) -> 8个字节

1.3 修改默认对齐数 #pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct s
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
 //输出的结果是什么？
 printf("%d\n", sizeof(struct s));
 return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

运行结果：

2.结构体传参

struct s
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct s s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct s s)
{
     printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct s* ps)
{
     printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
     print1(s); //传结构体
     print2(&s); //传地址
     return 0;
}

上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
原因：
函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
如果传递⼀个结构体对象的时候，结构体过⼤，参数压栈的的系统开销⽐较⼤，所以会导致性能的下降。
结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

3.结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

3.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1. 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ，在c99中位段成员的类型也可以
    选择其他类型。
2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
比如：

struct a
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

a就是⼀个位段类型。 那位段a所占内存的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct a));

3.2 位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int 、 unsigned int 、 signed int 或者是 char 等类型
2. 位段的空间上是按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的⽅式来开辟的。
3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使⽤位段。

//⼀个例⼦
#include <stdio.h>
struct s
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct s s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	//空间是如何开辟的？
	return 0;
}

3.3 位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。
2. 位段中最⼤位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大32，写成27，在16位机器会
    出问题。
3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。
4. 当⼀个结构包含两个位段，第⼆个位段成员⽐较大，⽆法容纳于第⼀个位段剩余的位时，是舍弃
    剩余的位还是利⽤，这是不确定的。
总结：
跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

3.4 位段使用的注意事项

位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。 所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

struct a
{
    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};
int main()
{
    struct a sa = {0};
    scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
    //正确的⽰范
    int b = 0;
    scanf("%d", &b);
    sa._b = b;
    return 0;
}

到此这篇关于c语言结构体内存对齐问题的文章就介绍到这了,更多相关c语言结构体内存对齐内容请搜索代码网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持代码网！