結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量時(shí)，內(nèi)存就會(huì)開辟一塊空間，那么在創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體變量時(shí)內(nèi)存到底是怎么開辟空間的呢？會(huì)開辟多大的空間呢？我們來看一下下面的代碼

struct S
{
	int i;
	char c;
	char b;
};
struct G
{
	
	char c;
	int i;
	char b;
};
int main()
{
	struct S u;
	struct G g;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	printf("%d\n", sizeof(g));
	return 0;
}

在這個(gè)代碼中，我們創(chuàng)建了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體類型，并用這兩個(gè)類型創(chuàng)建了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，當(dāng)變量被創(chuàng)建的時(shí)候，內(nèi)存就會(huì)為這些變量開辟空間，而在這兩個(gè)變量中，我們都創(chuàng)建了兩個(gè)char類型的成員和一個(gè)int類型的成員，不同的是這三個(gè)成員的排列順序不同，然后我們來打印一下這兩個(gè)變量所占的字節(jié)，來看一下有什么不同

我們發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量雖然里面的元素類型一樣，但是他們的大小并不一樣，而他們之間的區(qū)別就是結(jié)構(gòu)體成員的排列順序不同，所以我們可以知道，結(jié)構(gòu)體成員的排列順序是會(huì)影響結(jié)構(gòu)體的大小的，那么他到底是怎么影響的呢，這就和結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建規(guī)則有關(guān)。

結(jié)構(gòu)體在創(chuàng)建時(shí)要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，對(duì)齊的規(guī)則是：

1.第一個(gè)成員在與結(jié)構(gòu)體變量偏移量為0的地址處。

2.其他成員變量要對(duì)齊到某個(gè)數(shù)字（對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。
對(duì)齊數(shù) = 編譯器默認(rèn)的一個(gè)對(duì)齊數(shù) 與 該成員大小的較小值。
VS中默認(rèn)的值為8

3.結(jié)構(gòu)體總大小為最大對(duì)齊數(shù)（每個(gè)成員變量都有一個(gè)對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。

4.如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對(duì)齊到自己的最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整 體大小就是所有最大對(duì)齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。

下面我們來根據(jù)對(duì)齊規(guī)則來算一個(gè)下上面的兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的大?。?/p>

struct S
{
	int i;
	char c;
	char b;
};

首先，我們先看struct S，第一個(gè)成員是int類型，占4個(gè)字節(jié)，它的對(duì)齊數(shù)就是4，第二個(gè)是char類型，占一個(gè)字節(jié)，對(duì)齊數(shù)是1，一個(gè)放在1的整數(shù)位上，也就是可以接著往下放，那就是在int的4個(gè)字節(jié)后面緊跟著來存放，第三個(gè)也是char類型，對(duì)齊數(shù)也是1，那么也可以接著放在后面，三個(gè)成員的最大對(duì)齊數(shù)是4，根據(jù)對(duì)齊規(guī)則，結(jié)構(gòu)體的大小是最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍，而我們剛剛算完這三個(gè)占的大小已經(jīng)是6個(gè)字節(jié)了，所以為了對(duì)齊，我們要浪費(fèi)兩個(gè)字節(jié)的空間，使這個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小為8個(gè)字節(jié)，是最大對(duì)齊數(shù)的2倍。

struct G
{
	
	char c;
	int i;
	char b;
};

我們?cè)賮砜吹诙€(gè)，這里，我們的第一個(gè)元素變成了char類型，占一個(gè)字節(jié)，但是第二個(gè)成員是int類型，對(duì)齊數(shù)為4，根據(jù)對(duì)齊規(guī)則要對(duì)齊到4的整數(shù)倍處，那就只能放在結(jié)構(gòu)體開始儲(chǔ)存的位置往后4個(gè)字節(jié)的地址處，加上它本身占4個(gè)字節(jié)，這時(shí)候我們?cè)趦?nèi)存中就使用了8個(gè)字節(jié)，然后在存入第三個(gè)成員char類型，對(duì)齊數(shù)是1，可以直接在后面存放，最大對(duì)齊數(shù)還是4，但是我們已經(jīng)使用了9個(gè)字節(jié)，所以這時(shí)候的大小應(yīng)該是12個(gè)字節(jié)，4的3倍。

以上的結(jié)果也是符合剛剛的運(yùn)行結(jié)果的。

下面我們來看一個(gè)結(jié)構(gòu)體里嵌套了一個(gè)結(jié)構(gòu)體時(shí)的例子：

struct G
{

	char c;
	int i;
	char b;
};
struct S
{
	char a;
	int i;
	struct G c;

};

我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)體struct S中嵌套了一個(gè)結(jié)構(gòu)體struct G，根據(jù)對(duì)齊規(guī)則，我們嵌套的結(jié)構(gòu)體一個(gè)對(duì)齊到自己的最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍上，那就是4的整數(shù)倍，而第一個(gè)成員是char，第二個(gè)是int，int對(duì)齊到4的整數(shù)倍上，那前兩個(gè)成員就占了8個(gè)字節(jié)，而struct G正好對(duì)齊到int的后面，大小我們剛剛算出來是12個(gè)字節(jié)，加起來就是20個(gè)字節(jié)，下面我們來驗(yàn)證一下

與運(yùn)行結(jié)果相同，那么我們的計(jì)算就沒有問題。

那么我們結(jié)構(gòu)體在儲(chǔ)存時(shí)為什么要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊呢？主要有以下兩個(gè)原因。

1.平臺(tái)原因(移植原因)：

不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

2.性能原因：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。

原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

跟主要的可能是第二種原因，為了增加處理器的訪問效率，我們選擇了用浪費(fèi)空間的方式，來使我們的處理器可以一次性的訪問到我們需要的元素，用空間來換時(shí)間。

根據(jù)我們的對(duì)齊規(guī)則我們也可以發(fā)現(xiàn)，如果我們想要在創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體變量時(shí)節(jié)省空間，我們應(yīng)該盡量讓小的成員集中在一起，這樣可以減少空間的浪費(fèi)，節(jié)省空間。

在規(guī)則中我們看到，計(jì)算每個(gè)成員的對(duì)齊數(shù)時(shí)要選擇默認(rèn)對(duì)齊數(shù)與該成員大小的較小值，在vs編譯器中這個(gè)默認(rèn)對(duì)齊數(shù)是8，而在有的編譯器中沒有默認(rèn)對(duì)齊數(shù)，如gcc編譯器的默認(rèn)對(duì)齊數(shù)就是成員自身的大小，當(dāng)然，這個(gè)默認(rèn)對(duì)齊數(shù)也是可以該的，而我們?nèi)绾蝸硇薷哪J(rèn)對(duì)齊數(shù)呢，我們看下面的代碼

struct H
{
	char c1;
	double d;
	char c2;
};
int main()
{
	struct H h;
	printf("%d\n", sizeof(h));
	return 0;
}

根據(jù)我們的對(duì)齊規(guī)則，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小應(yīng)該是24個(gè)字節(jié)，我們來運(yùn)行一下看看結(jié)果

如果我們要把它的默認(rèn)對(duì)齊數(shù)改為4，那么我們?cè)賮碇匦掠?jì)算一下，首先第一個(gè)char類型占一個(gè)字節(jié)，然后double類型占8個(gè)字節(jié)，但是對(duì)齊數(shù)為4，對(duì)齊到4的倍數(shù)，就可以在第4個(gè)字節(jié)的位置開始存儲(chǔ)，這時(shí)候前兩個(gè)只占12個(gè)字節(jié)，最后一個(gè)char占一個(gè)字節(jié)，最大對(duì)齊數(shù)為4，大小為4的倍數(shù)，應(yīng)該為16，我們來驗(yàn)證一下

根據(jù)運(yùn)行的結(jié)果我們可以看到，確實(shí)是改變了默認(rèn)對(duì)齊數(shù)

修改默認(rèn)對(duì)齊數(shù)的方法就是在結(jié)構(gòu)體類型前加上#pragma pack(n)，n表示修改后的默認(rèn)對(duì)齊數(shù)的值（一般都是2的次方數(shù)，當(dāng)改為1時(shí)，表示不存在對(duì)齊），在結(jié)構(gòu)體類型的后面加上#pragma pack()表示取消修改。

#pragma pack(4)
struct H
{
	char c1;
	double d;
	char c2;
};
#pragma pack()

如上面的代碼，表示我們只把#pragma pack(4)~#pragma pack()之間的結(jié)構(gòu)體類型的默認(rèn)對(duì)齊數(shù)改為了4。

結(jié)構(gòu)體傳參

在學(xué)習(xí)函數(shù)的時(shí)候我們?cè)?jīng)學(xué)到，函數(shù)在調(diào)用時(shí)有兩種方法，一種是傳值調(diào)用，一種是傳址調(diào)用C語言–函數(shù)，我們來看下面的代碼。

struct S {
	int data[1000];
	int num;
};

//結(jié)構(gòu)體傳參
void print1(struct S s) 
{
	printf("%d\n", s.num);
}
//結(jié)構(gòu)體地址傳參
void print2(struct S* ps) 
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
	print1(s); //傳結(jié)構(gòu)體
	print2(&s); //傳地址
	return 0;
}

在這個(gè)代碼中，我們的print函數(shù)的目的是打印結(jié)構(gòu)體變量中的一個(gè)成員，print1傳參時(shí)傳的就是結(jié)構(gòu)體變量的值，print2傳的就是結(jié)構(gòu)體變量的地址，他們的不同點(diǎn)在于傳值的時(shí)候，我們的形參是實(shí)參的一份臨時(shí)拷貝，也就是說，當(dāng)我把結(jié)構(gòu)體變量的以傳值的方式傳參給函數(shù)時(shí)，當(dāng)我們調(diào)用這個(gè)函數(shù)，內(nèi)存就會(huì)把這個(gè)結(jié)構(gòu)體拷貝一份，當(dāng)我們的結(jié)構(gòu)體變量比較小時(shí)還好，但是當(dāng)這個(gè)結(jié)構(gòu)體變量里的成員非常多，占據(jù)的空間非常大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)開銷比較大，性能下降，而如果我們使用傳址的方式，我們一個(gè)地址的大小也就4或者8個(gè)字節(jié)，就沒有上面的問題，所以在結(jié)構(gòu)體傳參時(shí)，我們盡量要傳地址，既可以節(jié)省時(shí)間，也可以節(jié)省空間。

結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)位段

什么是位段

位段的聲明和結(jié)構(gòu)是類似的，有兩個(gè)不同：

1.位段的成員必須是 char、int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成員名后邊有一個(gè)冒號(hào)和一個(gè)數(shù)字。

如

struct A 
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
};

這里的A就是位段，每個(gè)成員后面的數(shù)字代表他們需要的二進(jìn)制位。

位段在內(nèi)存中的存儲(chǔ)

1.位段的成員可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （屬于整形家族）類型

2.位段的空間上是按照需要以4個(gè)字節(jié)（ int ）或者1個(gè)字節(jié)（ char ）的方式來開辟的。

3.位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺(tái)的，注重可移植的程序應(yīng)該避免使用位段。

我們來舉個(gè)例子

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;
	return 0;
}

我們來研究這個(gè)位段在內(nèi)存中是如何儲(chǔ)存的

首先，我們看成員a，它占3個(gè)二進(jìn)制位，是一個(gè)char類型，我們需要?jiǎng)?chuàng)建出一個(gè)字節(jié)的空間，也就是8個(gè)二進(jìn)制位，a要走了3個(gè)，我們假設(shè)在存儲(chǔ)是，我們存儲(chǔ)的順序是與小段存儲(chǔ)的方式類似，也是從右向左存儲(chǔ)的，那么a在內(nèi)存中存儲(chǔ)的位置應(yīng)該是后面的三個(gè)二進(jìn)制位

低地址->高地址
  ********
       aaa

假設(shè)一個(gè)代表內(nèi)存中的一個(gè)二進(jìn)制位，這八個(gè)代表一個(gè)字節(jié)，這3個(gè)a上面對(duì)應(yīng)的*就是a在這一個(gè)字節(jié)中所占的空間。
b需要4個(gè)二進(jìn)制位，而我們剛剛創(chuàng)建的一個(gè)字節(jié)中還有5個(gè)二進(jìn)制位，所以我們把b的4個(gè)二進(jìn)制位放在a的后面。

低地址->高地址
  ********
   bbbbaaa

這就是a與b在內(nèi)存中的存儲(chǔ)情況，而這是c需要個(gè)二進(jìn)制位，我們只剩下一個(gè)二進(jìn)制位了，而c又是一個(gè)char類型，所以我們需要再創(chuàng)建一個(gè)字節(jié)的空間，而當(dāng)我們創(chuàng)建好了新的空間，c的個(gè)二進(jìn)制位應(yīng)該怎么儲(chǔ)存呢，我們是接著第一個(gè)字節(jié)把剩下的二進(jìn)制位用完還是在我們新創(chuàng)建的字節(jié)里重新儲(chǔ)存呢，假設(shè)內(nèi)存在存儲(chǔ)時(shí)選擇直接浪費(fèi)掉哪個(gè)二進(jìn)制位，在新的空間進(jìn)行儲(chǔ)存，這時(shí)內(nèi)存中的存儲(chǔ)分布應(yīng)該是這樣

低地址->高地址
  ********  ********
   bbbbaaa     ccccc

存儲(chǔ)d時(shí)，d需要4個(gè)二進(jìn)制位，第二個(gè)字節(jié)中的二進(jìn)制位也不夠，所以我們?cè)賱?chuàng)建一個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)d

低地址->高地址
  ********  ********  ********
   bbbbaaa     ccccc      dddd

如果我們的假設(shè)沒錯(cuò)的話，這一個(gè)就是a,b,c,d這4個(gè)成員在內(nèi)存中的儲(chǔ)存位置，然后我們又對(duì)這4個(gè)成員進(jìn)行了賦值

a=10=>1010(二進(jìn)制數(shù))=>010（3個(gè)二進(jìn)制位）

b=12=>1100(二進(jìn)制數(shù))=>1100（4個(gè)二進(jìn)制位）

c=3=>11(二進(jìn)制數(shù))=>00011（3個(gè)二進(jìn)制位）

d=4=>100(二進(jìn)制數(shù))=>0100（4個(gè)二進(jìn)制位）

當(dāng)我們用上面的數(shù)據(jù)對(duì)我們剛剛的位段進(jìn)行賦值，那么這個(gè)位段在內(nèi)存中存儲(chǔ)的內(nèi)容應(yīng)該是這樣的

低地址->高地址
  0bbbbaaa  000ccccc  0000dddd
  01100010  00000011  00000100(二進(jìn)制)
     62        03        04   (十六進(jìn)制)

根據(jù)我們的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)，如果位段按照我們剛剛的假設(shè)來存儲(chǔ)，那么在內(nèi)存中存儲(chǔ)的內(nèi)容應(yīng)該是62 03 03，那我們現(xiàn)在來調(diào)試一下看看

結(jié)果與我們推斷的一樣，那么就說明當(dāng)前的編譯器位段的存儲(chǔ)是按照我們假設(shè)的方式來存儲(chǔ)的。

位段的問題

但是位段在C語言中的規(guī)定又有許多不確定的地方，

1.int 位段被當(dāng)成有符號(hào)數(shù)還是無符號(hào)數(shù)是不確定的。

2.位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機(jī)器最大16，32位機(jī)器最大32，寫成27，在16位機(jī) 器會(huì)出問題。

3.位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義。

4.當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)位段，第二個(gè)位段成員比較大，無法容納于第一個(gè)位段剩余的位時(shí)，是 舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。

不同的平臺(tái)可能對(duì)上述的問題有不同的規(guī)定，所以位段是不能跨平臺(tái)的

跟結(jié)構(gòu)相比，位段可以達(dá)到同樣的效果，但是可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺(tái)的問題存在。

位段的使用環(huán)境是在我們傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，可以使用位段使數(shù)據(jù)包在不能壓縮的情況下，所占的空間最小。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!  

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