结构体详解|内存对齐、位段

目录

结构体类型的声明

结构体变量的定义和初始化

结构体内存对齐

偏移量

结构体对齐规则：

为什么存在内存对齐？

结构体传参

位段

位段的内存分配

位段的跨平台问题

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结构体类型的声明

正常声明：

struct tag
{
 member-list;
}variable-list;
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

匿名结构体类型:

struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}x;
struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}a[20], *p;

注意：这两个结构体都是匿名的类型，默认类型不同。p=&x是非法的，编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。

自引用声明：

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

这样子是非法的，因为这样将无限嵌套下去，sizeof(struct Node)无穷大了。若要实现可以在结构体成员改成struct Node* next。

结构体变量的定义和初始化

局部变量三种方式：

struct Stu        //类型声明
{
 char name[15];//名字
 int age;      //年龄
};
struct Stu s ;                   //  1.直接定义变量
struct Stu s = {"zhangsan", 20}; //  2.定义并全部初始化
struct Stu s = {.age=20};        //  3.定义并部分初始化

全局变量二种：

​

struct Stu        
{
 char name[15];//名字
 int age;      //年龄
}s;                    //  1.声明时直接定义变量
struct Stu s ;         //  2.main之前定义变量

​

注意typedef的使用：

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

以上是其正常用法，定义别名。

但是对于结构体自引用来说：

​
typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;
//这样写代码，错误
//解决方案：
typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

​

 但是对于结构体同时定义全局变量来说：

typedef struct length{
    int a;
}l,*pl;   //这里不能同时重命名和定义全局变量了,l是别名，pl是strcut length*的别名

l len1={0};
pl plen=len1；

int main()
{
    //……
}

结构体内存对齐

计算结构体的大小时会发现，其大小不是简单的各个类型叠加， 这里就涉及到一个很重点的知识： 结构体内存对齐。

偏移量

在看结构体对齐的规定之前可以先了解偏移量：

偏移地址偏移地址就是计算机里的内存分段后，在段内某一地址相对于段首地址(段地址)的偏移量。偏移量就是程序的 逻辑地址 与段首的差值。以数组为例，其实下标就代表各元素的偏移量。

offsetof 

如果想查看结构体各个成员的偏移量可以使用offsetof。offset，C语言的一个宏，在标准库stddef.h中。定义：

size_t offsetof(type, member);   // type class类型，是结构体的名字，member是结构体成员的名字。该宏返回结构体class中成员member的偏移量。且返回值是size_t类型的。

结构体对齐规则：

• 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 = 编译器默认的对齐数 与 该成员大小的较小值。                                                                                               VS中默认的值为8  Linux gcc没有默认对齐数
• 3. 结构体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，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。

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

以S1为例子分析： 

 S1--->12，同理： S2--->8，可见成员顺序的改变将改变结构体内存大小。

//结构体嵌套
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

为什么存在内存对齐？

 1. 平台原因(移植原因)： 不是所有的硬件平台都能访问为什么存在内存对齐?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。

 总体来说： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。 那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，应该让占用空间小的成员尽量集中在一起。

修改默认对齐数：

 #pragma 这个预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。

#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

结构体传参

函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。 如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的 下降。一般我们选择传入地址，且要修改值时只能传地址。

位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1.位段的成员必须是 int、unsigned int char或signed int 。一般全部为char，或全为int。

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。冒号后面的数字代表该成员需要用的bit位的位数。

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

位段的内存分配

位段的大小并不是每个成员的大小之和，这里就要涉及到位段如何分配空间。

1. 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。

2. 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。

 涉及很多不确定因素：比如a的2bit从字节的低地址开始使用还是从高地址？对d看来说，余下15不够，15bits还要使用吗？

位段的跨平台问题

除了上面的因素不确定，还有：

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。 2. 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大32，写成27，在16位机 器会出问题。

总结： 跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。