【C语言】结构体+内存对齐+位段

一、结构体是什么

结构是一些值的集合。

这些值被称为成员。

每个成员可以是不同类型的变量。

二、结构体类型的声明

struct Stu
{
    char name[20];//名字
    int age;//年龄
    char sex[5];//性别
    char id[20];//学号
}; //分号不能丢

上面代码声明了一个描述学生的结构体类型。

这个类型的标签是Stu，整个结构体的类型是struct Stu。

声明了结构体的类型之后，我们就可以定义结构体变量了。

下面定义一个struct Stu结构体类型的变量，变量名为stu。

struct Stu stu;

事实上，我们可以在声明结构体类型的同时定义结构体变量。

struct Stu
{
    char name[20];//名字
    int age;//年龄
    char sex[5];//性别
    char id[20];//学号
}stu1,stu2; //分号不能丢

三、结构体的自引用

提问：结构体中能否包含类型为该结构体本身的成员？

struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};

答：不可以。

因为C语言中，结构体所占内存必须在编译时确定。

如果一个结构体中含有它本身，这个结构体所占内存大小会循环成一个无法计算的数值。

正确的自引用方式：

struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};

考你一下：

上面代码的结构体类型是什么？

没错，就是struct Node。

我们不难发现，结构体类型的名称较为冗长。

那有没有比较简便的表示方式呢？

我们可以利用typedef给结构体类型取别名：

typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

上面代码在声明结构体的同时，给结构体类型取了别名叫Node。

注意，此时 } 后面的Node并不是定义的结构体变量，而是typedef给struct Node类型取的别名。

四、结构体变量的定义和初始化

如何定义变量：

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1

struct Point p2; //定义结构体变量p2

初始化：定义变量的同时赋初值

struct Stu     //类型声明
{
    char name[15];//名字
    int age;    //年龄
};

struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化

五、结构体传参

记住：结构体传参，要传结构体的地址。

六、结构体内存对齐

看完上文，我们已经掌握了结构体的基本使用。

现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。

先来掌握结构体的内存对齐规则：

1. 第一个成员在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对齐数整数倍的地址处。

对齐数 = 编译器默认对齐数与该成员大小相比的较小值。（VS中默认为8）

3. 结构体总大小要是最大对齐数的整数倍。

最大对齐数：结构体所有成员的对齐数中最大的那个。

4. 如果嵌套了结构体：

• 嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处。

• 结构体的总大小要是所有最大对齐数的整数倍。

下面来看几个例子：

如图所示，c1的对齐数是1，作为第一个成员，对齐到偏移量为0的地址处。

（下面简写，不再重述偏移量为x的地址处，用数字替代）

i的对齐数是4，对齐到4的整数倍，也就是4处，占用4、5、6、7四个字节。

c2的对齐数是1，对齐到1的整数倍，也就是8处。

此时已占用9个字节。

而结构体总大小要是最大对齐数的整数倍，此例中最大对齐数是i的对齐数4。

故总共需占用12个字节。

理解了上面，让我们再看几个例子：

如图，c1的对齐数是1，作为第一个成员，对齐到0处。

c2的对齐数是1，对齐到1的整数倍，也就是1处。

i的对齐数是4，对齐到4的整数倍，也就是4处，占4、5、6、7四个字节。

此时总共占用了8个字节，刚好是最大对齐数4的整数倍。

故此结构体大小为8。

再来看：

理解了前面两个例子，相信你很快就能看懂本例的含义。

那么，为什么会存在内存对齐呢？

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，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特
定类型的数据。

2. 性能原因：
访问未对齐的内存，处理器要访问两次；而访问对齐的内存仅需访问一次。

总体来说，结构体的内存对齐是以空间换时间的做法

了解完结构体占用内存的规则后，如果想要节省空间，我们应该如何设计结构体？

答：让占用空间小的成员尽量集中在一起。

此处读者可以自行验证。

另外，我们可以使用#pragma 这个预处理指令，来改变默认对齐数

#include 
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

C语言还提供了一个宏，可以计算结构体中某变量相对于首地址的偏移。

offsetof宏：

七、结构体实现位段

讲完了结构体，就不得不讲讲结构体实现位段的能力。

什么是位段：

C语言允许，一个结构体以比特位为单位，指定成员所占内存大小

这种以位为单位的成员，就称为位段

位段的声明和结构是类似的，但是有两个不同：

1.位段的成员类型一般情况下都是相同的，且必须是整型家族(int、char等)。

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字，表示指定的内存大小。

比如：

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

上述代码中，A就是一个位段类型。

冒号后面的数字表示需要的比特位个数（1字节=8比特位）。

位段类型的大小如何计算：

struct S
{
    char a:3;
    char b:4;
    char c:5;
    char d:4;
};

struct S s = {0};

s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

先根据成员类型开辟空间：

• 如果是int则先开辟4个字节（32个比特位）。

• 如果是char则先开辟1个字节（8个比特位）。

• 先开辟一次，后面不够再开辟，每次开辟都如此。

将a、b、c、d的值从十进制转换为二进制（研究比特位）。

再根据位段声明中，成员指定的比特位数，对变量的二进制值进行截断。

再将其放入内存的字节中，丢弃多余的部分。

内存不够了再重新开辟，本例中总共开辟了3次，也就是3个字节。

我们将刚刚内存中存储的数据，从二进制转换成十六进制。

利用VS进行调试监视，来验证我们的模拟：

不难看出，在本例中，位段的内存分配确实如此。

因此，与结构相比，位段可以很好地节省空间。

但是，位段有很多不确定的因素：

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2. 位段在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。

3. 当一个结构包含两个位段，第二个位段较大，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。

因此，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。