结构体类型的结构在内存的存储

目录：

一，普通结构体类型

二，位段类型

三，枚举类型

四，共用体类型

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一，普通结构体类型

 

1，结构体的内存管理

        首先，要提醒的是，结构体的内存存储不单单是顺序存储，在计算机的内部，结构体是按照一定的规则进行存储的，我们观察以下代码：

#include
struct s1
{
    int a;
    char n;
    char m;
}arr1;
int main()
{
    printf("%d", sizeof(arr1));
    return 0;
}

        经过上面现象分析，结构体中的成员在存储的时候具有不一样的存储形式，下面就跟大家详细讲解一下结构体成员和结构体是如何存储的。

        结构体在内存中的存储是按照一定的对齐规则，在了解对齐规则之前，我们要先明白结构体中的偏移量。偏移量是数据在内存中所对应结构体起始地址的偏移位置。例如，数组a中，a[0]的偏移量为0，a[1]偏移量为1，a[2]偏移量为2。用offsetof函数可以查看对齐数，其中，offsetof函数在头文件中，具体代码如下：

#include
#include
struct s1
{
	int a;
	char b;
	float c;
}arr;
int main()
{
	fprintf(stdout, "%d\n", offsetof(struct s1, a));
	fprintf(stdout, "%d\n", offsetof(struct s1, b));
	fprintf(stdout, "%d\n", offsetof(struct s1, c));
	return 0;
}

     

2，结构体的对齐规则

结构体内存的对齐规则如下：

1，结构体的第一个成员放在与结构体变量的起始偏移量为0的位置

2，从第二个成员开始，往后的每个成员都要对齐到对齐数的整数倍。（对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的最小值，其中，在VS编译器上自动默认对齐数为8，gcc编译器没有默认对齐数，对齐数就是各成员自身的大小）

3，结构体总大小为各个成员中最大对齐数的整数倍。

4，如果有嵌套结构体的情况，嵌套结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，而结构体的总大小是最大对齐数的整数倍。

        接下来我以详细代码的形式跟大家讲解，其它情况同理。

#include
struct s1
{
	int a;//对齐数4
	char n;//对齐数1
	char m;//对齐数1
}arr1;
int main()
{
	printf("%d", sizeof(arr1));//输出8
	return 0;
}

         然而，结构体采用这种对齐规则其实是拿取空间来换时间效率。在32位机器上(4字节)，机器一次性读取4字节的数据，即通过4个地址线引用，如果没有这种对齐，当读取的数据所占用的内存不在机器所一次读取的范围时，机器还要再次进行读取操作，这样的话时间效率将会浪费，而当有这样的对齐规则时，机器将会一次性的读取数据，时间效率将会提高，但会空间效率将会浪费。因此，我们可以理解为结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

        细想看来，如若我们我们既要满足对齐，提高时间效率，又要节省空间，我们要在结构体的成员所占空间小的尽量集中在一起，因为，空间小的成员，它的对齐数较小，可以在部分情况下节约空间。代码如下：

#include
struct s1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
struct s2
{
	char a;
	char b;
	int c;
};
int main()
{
	fprintf(stdout, "%d %d", sizeof(struct s1),sizeof(struct s2));
	return 0;
}

 3，结构体的对齐数

        经过以上的讲述，不难发现，如若对齐数不同，结构体的内存大小将会不同，而某人对齐数我们可用#pragma这个预处理命令进行修改。修改的形式为#pragma pack(n)，即修改默认对齐数为n。我们还拿以上代码进行演示：

#include
#pragma pack(1)//修改对齐数为1
struct s1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
struct s2
{
	char a;
	char b;
	int c;
};
#pragma pack(8)//修改对齐数为8
int main()
{
	fprintf(stdout, "%d %d", sizeof(struct s1),sizeof(struct s2));
	return 0;
}

        

 

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二，位段类型

1，位段的形式

位端也是运用结构体的结构形式，但与结构体有两个不同：

        1，位段的成员必须是整型家族的类型，即可以是int，unsigned int，signed int，char，signed char，unsigned char。

        2，位段的成员名后边有一个冒号和一个数字，这个数字表示此成员所占的比特位大小，若有数据不加冒号和数字，则内存大小按照正常形式所占用

位段的表现形式如下：

struct a
{
    int a : 2;//a占2比特位
    int b : 5;//b占5比特位
    int c : 10;//c占10比特位

    int d;//按正常形式，占4字节
};

2，位段的内存分配

        位段在内存中是按照变量类型开辟的，int型开辟4字节，char型开辟1字节，然后查看开辟内存是否够后面成员所占内存的需要，如若够用，则系统不会再次开辟空间，用上一个所开辟的空间，如若不够用，则再根据成员的数据类型开辟空间。注意：虽然系统是根据成员变量类型来开辟空间的，但是成员所占的而空间大小是冒号后面的那个数字，如若数据太大，占用的空间不够用，则会在系统中当数据转换成二进制时，根据二进制的形式丢掉多余的数据。如图：

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三，枚举类型

       枚举类型是限定有限个数据，例如星期几这类可以一一列举出来的变量类型，对于这些情况，我们就可考虑使用枚举类型惊醒求解。枚举类型的形式如下：

enum color//枚举变量enum color的声明
{
    red,//默认值为0，此数值可以修改
    blue,//默认值为1，此数值可以修改
    yellow//默认值为2，此数值可以修改
};
enum color a, b, c;//定义枚举变量a,b,c

        要说明的是，枚举类型没有太多细节，处理以上的结构式，其它的基本与结构体一样，只需明白以上的知识点即可，我就不做过多的说明了。

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四，共用体类型

1，共用体的特点

        共用体也叫联合体，联合体的成员和整个共用体是共用同一块内存空间的，这样，一个联合体变量的大小至少是最大成员的大小，因为联合体至少有能力保存最大的那个成员的数据。

联合体的结构式：

union s1//共用体类型
{
    int a;
    char b;

    int c;
};
union s1 m, n;//建立n,m共用体变量

        在以上代码中，共用体和数据a,b,c共占用一块内存空间，也就是说他们的起始地址是一样的。代码如下：

#include
union s1
{
	int a;
	char b;
	int c;
}s;
int main()
{
	fprintf(stdout, "%p\n", &s);
	fprintf(stdout, "%p\n", &s.a);
	fprintf(stdout, "%p\n", &s.b);
	fprintf(stdout, "%p\n", &s.c);
	return 0;
}

所以，当共用体其中一个成员数据改变时，去其它成员的数据也会随之改变。如图所示：

 2，共用体的大小计算

        根据共用体的特点我们知道，共用体整个大小必须大于或等于最大成员的大小。共用体的最终内存空间并不简单等于最大成员的内存空间。

        当最大成员的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，如下：

#include
#include
union s1
{
	char a[6];//占6字节空间,对齐数为1
	int c;//占4字节空间，对齐数为4
}s;//最大内存为6字节，但最大对齐数为4，要对齐到4的整数倍，所以为8
int main()
{
	s.c = 0x01050408;
	fprintf(stdout, "%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

         当最大成员是最大对齐数时，共用体的大小为最大成员的大小，如下：

#include
union s1
{
	char a;//占1字节空间,对齐数为1
	int c;//占4字节空间，对齐数为4
}s;//最大内存为4字节，最大对齐数也为4，所以为4
int main()
{
	fprintf(stdout, "%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

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总：有关结构体类似的式子的要点以及内存管理的注意点已经讲述完了，学习这些知识是为了如何灵活并巧妙的为今后复杂的问题进行运用，在C/C++中，地址和内存管理的运用比较复杂，在以后深入的学习中，基本都是要通过这样的复杂空间管理来进行地址的运用。