结构体内存对齐与联合体

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前言

结构体大小的计算

修改默认对齐数

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前言

当我们了解结构体的声明，结构体的自引用，结构体变量的定义和初始化，如何计算结构体的大小呢?结构体类型的数据是在内存中如何存放的呢？这也是本文需要讨论的问题；

结构体大小的计算

//结构体声明
struct n
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
	struct n n1;
    //计算结构体的大小
	printf("%d\n", sizeof(n1));
	return 0;
}

char-字符类型-大小为1字节   int - 整型 - 大小为4字节，那么总大小是不是 1+4+1=6字节呢？

运行结果：

结果是12个字节，为什么？这就不得不涉及结构体内存对齐规则；

结构体内存对齐规则 ：

1. 结构体第一个成员变量存放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对齐数的整数倍的地址处；

    对齐数=编译器默认对齐数与成员变量大小的较小值；

  vs默认对齐数为8字节，linux环境没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小；

3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍；

4. 对于嵌套结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整 体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍；

接下来的讨论，全是在vs编译环境下，即默认对齐数为8； 假设创建结构体变量n1从0x0000ff40处开辟内存空间，示意图如下

 根据结构体对齐第一条规则:结构体第一个成员变量存放在与结构体变量偏移量为0的地址处;

  结构体成员变量c1就应该存放于偏移量为0的地址处,且占1byte; 如上图c1的位置;

根据结构体对齐第二条规则：其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处;

1. 先计算对齐数 int在内存中占4个字节，默认对齐数为8个字节，对齐数为自身大小和默认对 齐数两者较小值 那么对齐数=4;结构体第二个成员变量就要对齐到4的整数倍，即偏移量等于4的位置，且占4byte,如上图i的位置；

2. 计算对齐数  har在内存中占1个字节，默认对齐数为8个字节，对齐数为自身大小和默认对 齐数两者较小值 那么对齐数=1;结构体第二个成员变量就要对齐到1的整数倍，即偏移量等于8的位置，且占1byte,如上图c2的位置；

 根据结构体对齐第三条规则：结构体总大小为最大对齐数的整数倍；

 第一个对齐数=4，第二个对齐数=1 最大对齐数=4；结构体总大小=4*j (j=1,2,....)

已经用掉9个字节，下一个4的整数倍即偏移量为11的位置，12个字节；如上图绿色方框所示；

综上，已经分析出结果为12字节，那分析步骤是否如同我们如上所述，需要进行进一步验证

offsetof() - 宏 头文件 #include

返回值为unsigned int ,第一个参数为结构体变量类型，第二个参数为成员变量名；

计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

 验证如下：

# include 
struct n
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%u\n", offsetof(struct n, c1));
	printf("%u\n", offsetof(struct n, i));
	printf("%u\n", offsetof(struct n, c2));
	return 0;
}

运行结果：

 验证结果如上图所示，与示意图完美匹配，可以得出分析步骤完全正确；

当我们计算嵌套结构体的大小，如下计算n的大小，结果又是如何？

struct s
{
	double d;// 对齐数1=8；
	char c;//对齐数2=1；
	int i;//对齐数3=4；
};
//嵌套结构体最大对齐数=8字节；
//struct s的总大小经计算为16个字节

struct n
{
	char c1;//对齐数4=1；
	struct s n1;
	double d;//对齐数5=8；
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct n));
	return 0;
}

根据结构体对齐的第四条规则：对于嵌套结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整 体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍；

不难得出结论，结果为32字节；

修改默认对齐数

使用 # pragma预处理指令来修改默认对齐数

# pragma pack(1)//设置默认对齐数为1;
struct n
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
# pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct n));
	return 0;
}

运行结果：

联合体

联合体定义

C语言中，变量的定义是分配存储空间的过程。一般的,每个变量都具有其独有的储存空间，那么是否可以在同一块存储空间储存不同的数据类型呢？

联合体也叫共用体，C语言中联合体的关键字是union，这种类型定义的变量也包含一些列的成员变量，特征是这些成员共用同一块内存空间；

//定义联合类型的声明
union 联合名
{
   成员列表；
}；

验证过程：验证联合体成员是否共用同一块内存

union un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union un u;
	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &(u.c));
	printf("%p\n", &(u.i));
	return 0;
}

运行结果：

 联合体大小的计算

联合体成员是共用同一块内存空间，一个联合变量的大小至少是最大成员的大小（因为联合体至少得有能力保存最大的成员变量）；

//计算联合体的大小
union un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	return 0;
}

运行结果：

但是联合体的大小一定是最大的成员的大小吗?

union un
{
	char arr[5];
	int i;
};
int main()
{
	union un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	return 0;
}

运行结果：

 结果是8个字节，成员变量最大为int类型，只占4个字节，所以联合体变量的大小不一定是最大成员的大小；

联合体大小的计算

• 联合体的大小至少是最大成员的大小；
• 当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍时，就要对齐到最大对齐数的整数倍处；

共用体从0偏移量处开始共用同一块内存空间，c为字符数组，数组成员为char,char占1个字节，vs默认对齐数为8，所以对齐数1=1；i为整型数据，占4个字节，vs默认对齐数为8所以对齐数2=8；所以最大对齐数=4；此时内存使用5个字节，但是要对齐到最大对齐数的整数倍的位置，即相对于起始位置的第8个字节处，即偏移量为7的位置，所以占用内存的大小为8字节；