C语言结构体大小的计算及位域

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c结构体大小的计算

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首先来看一个例子：

#include
#include

struct s
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
int main()
{
	printf("sizeof(s)= %d\n",sizeof(struct s));
	
	system("pause");
	return 0;
}

如果不存在内存对齐这个问题，这个结构体应该占1+4+1=6个字节；
然而事实上它占了12个字节。

一。内存对齐

1.什么是内存对齐
结构体内存对齐：
元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。
从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始。
2.为什么存在内存对齐

• 平台原因（移植问题）：
  一些资料上是这样说的，
  “不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据；
  某些硬件平台只能在某些特定地址处取某些特定的数据，否则就会抛出硬件异常”。
  也就是说在计算机在内存读取数据时，只能在规定的地址处读数据，而不是内存中任意地址都是可以读取的。
• 性能问题：
  正是由于只能在特定的地址处读取数据，所以在访问一些数据时，对于访问未对齐的内存，处理器需要进行两次访问；
  而对于对齐的内存，只需要访问一次就可以。
  3.偏移量

二。 结构体的大小

举例1：

#include
#include

struct s
{
	int a;
	char b;
	double c;
	char d;

};
int main()
{
	printf("sizeof(s)= %d\n",sizeof(struct s));
	
	system("pause");
	return 0;
}

分析：
int占4个字节
char占1个字节
float占4个字节
double占8个字节
a在偏移量为0的地址处，即它对齐到0号地址处的位置，占四个字节，即占用0，1，2，3;

第二个元素的大小为char型，占1个字节，要求对齐到自己对齐数的整数倍处，4是1的倍数，故而，b占用4偏移；

接下来可用偏移为5偏移，接下来存double c;
由于5不是8的倍数，所以向后偏移5，6，7，都不是8的倍数，偏移到8时，8是8的倍数，故而c从8处开始存储，占用8，9，10，11，12，13，14，15偏移；

现在可用偏移为16偏移，最后该存char d ;
因为16是1的倍数，故d占用16偏移，

接下来在整体向后偏移一位，现处于17偏移，min(默认对齐参数，类型最大字节数)=8；因为17不是8的倍数，所以继续向后偏移18…23都不是8的倍数，到24偏移处时，24为8的整数倍，
故而，该结构体大小为24个字节。
如图：

举例2：

#include
#include

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
struct S2
{
	char c1;
	struct S1 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("sizeof(S1)= %d\n",sizeof(struct S1));
	printf("sizeof(S2)= %d\n", sizeof(struct S2));
	system("pause");
	return 0;
}

分析：

结构体S1的大小为1(char)+1(char)+2(偏移量）+4(int)=8，S1的对齐数就是其结构体成员中最大的对齐数，即4；

在结构体S2中，对齐数分别是0、4、8；
首先 c1 对齐在0号地址的位置，其占用1个字节，
根据规则，嵌套的结构体S1要对齐到自身对齐数4的整数倍处，所以S1对其在4号地址处，其大小是8个字节;
d 的对齐数为8，所以它要对齐到16号地址处，
所以此时计算出S2的大小是1(char)+3(偏移量)+8(struct S1)+4(偏移量)+8(double)=24,
结构体S2中个成员的对齐数分别为0、4、8，因为24是8的倍数，符合规则。
所以S2的总大小就是24个字节。

计算规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值，在VS环境下默认值为8，在Linux环境下默认值为4。

3. 结构体的总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

4. 如果嵌套了结构体的情况，被嵌套的结构体对齐到其自身对齐数的整数倍处（结构体的对齐数就是其内部成员中最大的对齐数），此时结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含被嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

举例三：

#include
#include

struct S1
{
	char a;
	int i;
	char b;
};
struct S2
{
	int a;
	char b;
	short c;
	double d;
	int f;
	struct S1 s;
};
struct S3
{
	char c1;
	struct S2 s;
	double d;
};
int main()
{
	printf("sizeof(S1)= %d\n",sizeof(struct S1));
	printf("sizeof(S2)= %d\n", sizeof(struct S2));
	printf("sizeof(S3)= %d\n", sizeof(struct S3));
	system("pause");
	return 0;
}

（具体分析就不列举了，自己思考哦）

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位域

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一。位域的定义

有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节， 而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态， 用一位二进位即可。为了节省存储空间，并使处理简便，C语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域，并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

1.位域的定义和位域变量的说明位域定义与结构定义相仿，其形式为：

struct 位域结构名 
{ 位域列表 }; 

其中位域列表的形式为：
类型说明符 位域名：位域长度

例如：

struct bs     
{     
int a:8;     
int b:2;     
int c:6;     
};  

该结构体共占了两个字节。
因为：都为数据类型都为int型，位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位，一个字节为8位。

2.空域：宽度为 0 的一个未命名位域强制下一位域对齐到其下一成员的数据类型边界。

struct bs
{
char a:1;
char :0;         //空域
char b:2;     //从下一个单位开始存放
char c:3；
};

该结构体共占了2个字节。

注意：

• 如果一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域；
• 位域的长度不能大于指定类型固有长度，比如说int的位域长度不能超过32;
• 位域可以是无位域名，这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。

struct k
{
	int a : 1;
	int : 2;       /*该2位不能使用*/
	int b : 3;
	int c : 2;
};

该结构体共占了4个字节。
从以上分析可以看出，位域在本质上就是一种结构类型， 不过其成员是按二进位分配的。

二、位域的使用。

位域的使用和结构成员的使用相同。
其一般形式为： 位域变量名.位域名

#include
#include
struct bs
{
	unsigned a : 1;
	unsigned b : 3;
	unsigned c : 4;
} bit, *pbit;
int main()
{
	bit.a = 1;
	bit.b = 7; //注意：位域的赋值不能超过该域所能表示的最大值，如b只有3位，能表示的最大数为7，若赋为8，就会出错   
	bit.c = 15;

	printf("%d,%d,%d\n", bit.a, bit.b, bit.c);
	pbit = &bit;
	pbit->a = 0;
	pbit->b &= 3;				//复合的位运算符"&="（详解如下）
					//相当于： pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值为7，与3作按位与运算的结果为3(111&011=011,十进制值为 3)
	pbit->c = 1;
	printf("%d,%d,%d\n", pbit->a, pbit->b, pbit->c);
	system("pause");
	return 0;
}

执行结果：

按位与(&)
参加运算的两个数，换算为二进制(0、1)后，进行与运算。只有当相应位上的数都是1时，该位才取1，否则该为为0。

将10与-10进行按位与(&)运算：
0000 0000 0000 1010
1111 1111 1111 0110
-----------------------
0000 0000 0000 0010
所以：10 & -10 = 0000 0000 0000 0010

三。结构体的大小（含位域）

1.看下面的结构体：

#include
#include
struct foo1 
{
	char    a : 2;
	char    b : 3;
	char    c : 1;
};

struct foo2
{
	char    a : 2;
	char    b : 3;
	char    c : 7;
};

int main()
{
	printf("第一个结构体大小：%d\n",sizeof(struct foo1));
	printf("第二个结构体大小：%d\n", sizeof(struct foo2));
	system("pause");
	return 0;
}

结果为：

分析：
如果按照正常的内存对齐规则， 这两个结构体大小均应该为3，那么问题出在哪了呢？
首先通过这种现象我们可以肯定的是：
带有’位域’的结构体并不是按照每个域对齐的，而是将一些位域 成员’捆绑’在一起做对齐的。

以foo1为例，这个结构体中成员都是char型，而且三个位域占用的总空间为：6 bit < 8 bit(1 byte)，
这时编译器会将这三个成员’捆绑’在一起做对齐，并且以最小空间作代价，故sizeof(struct foo1) = 1。

foo2这个结构体成员类型也都是char型，但三个成员位域所占空间之和为：9 bit > 8 bit(1 byte)，
这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的，这时编译器将a和b两个成员’捆绑’按照char做对齐，而c单独拿出来以char类型做对齐， 这样实际上在b和c之间出现了空隙，但这也是最节省空间的方法了。

再看一种结构体定义：

#include
#include
struct foo3
{
	char    a : 2;
	char    b : 3;
	int c : 1;
};

int main()
{
	printf("结构体大小：%d\n",sizeof(struct foo3));
	system("pause");
	return 0;
}

分析：

在foo3中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte)，
但是由于char和int的对齐系数是不同的，是不能捆绑在一起，
那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐，c单独按照int对齐呢？
不可以。
sizeof(struct foo3)=8。编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。
不够一个类型的size时，将按其中最大的那个类型对齐。此 处按int对齐。

例题：

#include
#include
struct s1
{
	int i : 8;
	int j : 4;
	int a : 3;
	double b;
};

struct s2
{
	int i : 8;
	int j : 4;
	double b;
	int a : 3;
};
int main()
{
	printf("第一个结构体大小：%d\n",sizeof(struct s1));
	printf("第二个结构体大小：%d\n", sizeof(struct s2));
	system("pause");
	return 0;
}

分析：
第一个结构体中，
i，j，a共占15个位，不足8个字节，按8字节对齐，共16字节

第二个结构体中，i，j共占12位，不足8字节，按8字节对齐，a也按8字节对齐，加上double共8+8+8=24个字节

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：

1. 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止 ；

2. 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

3. 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++，GCC采取压缩方式；

4. 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

5. 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

哈哈，可以说是很清晰了哦。