【C语言】探讨常见自定义类型的存储形式

纸上得来终觉浅， 绝知此事要躬行。
主页：June-Frost
专栏：C语言

该文章将探讨结构体，位段，共用体的存储形式。

结构体内存对齐

 结构体（struct）是一种用于存储一组不同类型数据的复合数据类型。为了提高内存访问效率，许多计算机系统对结构体进行内存对齐。内存对齐是一种优化内存访问效率的方式，通过将数据存储在特定的内存地址上，使得CPU的内存访问速度更快。对于一些特定的硬件平台和体系结构，内存对齐的要求是必需的。为了更好的理解，我们可以通过计算结构体的大小引入。

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
//大小为12

struct S2
{
	int i;
	char c1;
	char c2;
};
//大小为8

struct S3
{
	char c3;
	struct S1;
	char c4;
};
//大小为20

 通过offsetof计算一下结构体(S1)成员相较于结构体起始位置的偏移量,发现分别是0，4，8 。
 这也就意味着S1在内存中的分布是这样的：

 通过上面的现象分析，可以发现结构成员不是按照顺序在内存中连续存放的，而是有一定的对齐规则。

结构体内存对齐的规则：

1. 第一个成员永远存放在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 从第二个成员开始，往后的每个成员都要对齐到某个对齐数的整数倍处。

对齐数：结构体成员自身的大小和默认对齐数的较小值。
VS 上默认对齐数是8。
gcc上没有默认对齐数，对齐数就是结构体成员自身的大小。

3. 结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍。

最大对齐数：所有成员的对齐数中最大的值。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处。

为什么会有内存对齐呢？

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齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

总的来说，结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

 所以我们在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间：让占用空间小的成员尽量集中在一起。

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2
{
	int i;
	char c1;
	char c2;
};

这两个结构体的成员一摸一样，但是S1需要12个字节，而S2只需要8个字节。

✉️修改默认对齐数

通过 #pragma 这个预处理指令，就可以改变默认对齐数。
例如：

#include
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
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
int main()
{
	printf("%zd", sizeof(struct S1));//结果为6
	return 0;
}

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位段

 位段是 C 语言中的一种数据类型，用于将一组数值存储到计算机内存中的二进制位中。位段通常用于在内存节省空间的同时，以一种可读性较高的方式存储多个二进制标志或数据。每个位段可以指定其所占用的二进制位数。

⚠注意：

1. 位段的成员可以是 int ，unsigned int ，signed int 或者是 char （属于整形家族）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。

由于位段不跨平台，所以在此浅谈一下VS的位段存储。

#include
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;
	printf("%d", sizeof(s));
	return 0;
}

事实确实如此：

位段在网络底层非常有用，例如:IP数据包的格式。

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联合

 联合体（union）是一种特殊的数据类型，它允许在内存中创建多个变量，但只能存储其中一个变量的值。联合体的目的是节省内存空间，因为它可以重复利用同一块内存存储不同的变量值。

⚠规则：

1. 联合的大小至少是最大成员的大小。
2. 当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

union Un
{
	char c[5];//对齐数是1
	int i;//对齐数是4
};
//最大对齐数是4
//大小为8字节

char c[5] 的大小为5字节，int i 的大小为4字节，所以至少为5个字节，但是这里最大对齐数是4，所以总大小会增加至 8个字节。

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❤️ 结语

 文章到这里就结束了，如果对你有帮助，你的点赞将会是我的最大动力，如果大家有什么问题或者不同的见解，欢迎大家的留言~