结构体内存对齐和位段

敲上瘾

已于 2025-02-08 14:04:43 修改

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分类专栏： c语言深度解剖文章标签：算法数据结构 c语言开发语言学习

于 2024-03-24 11:12:42 首次发布

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C语言规定int，char，float等等这些内置类型之外，同时还规定程序员可以自定义一些类型，如结构体类型，联合体类型，枚举类型，现在我们重点来了解一下结构体类型。
我们可以先想一想，如果我们要表示一个学生用什么来表示，总不能只用一个int或char的类型就能解决吧，他得有名字，学号，成绩等等。而这些相关性强的信息，我们可以整合成一个整体，就有了结构体这种类型的出现。

1.结构体的定义

1.1匿名结构体

没有的标签的结构体称为匿名结构体。

1.2结构体的重命名

1.3结构体的嵌套使用

结构体里可以嵌套其他结构体，如下：

1.4结构体自引用问题

结构体不可以自引用如以下是错误的写法：

因为结构体在申请空间时，结构体里有自己的结构体里又有自己就会使空间无穷的大。

但结构体成员里可以是指向自己类型的指针如下：

这种定义方法在学习数据结构时会被频繁的用到。

2.结构体变量的初始化。

3.结构体成员的访问。

4.结构体传参问题

结构体传参一般不会传结构体变量。如果传结构体变量那么形参部分也会拷贝一份放入同样大小的结构体空间，会使程序执行效率变低，最好的话是传结构体指针变量，这样可以直接通过指针找到结构体，更高效。

5.结构体内存对齐

在讲这个内容之前我们先思考一下以下代码的输出什么结果？

没错，你猜对了，它的结果并不是6。为了使数据读取更高效，结构体会不惜浪费一些内存。也就是结构体的内存对齐。

5.1对齐规则：

1.结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
2.其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。

对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。

即对齐数=min(编译器默认的对⻬数，该成员变量所占空间的⼤⼩)

-VS 中默认的值为 8
-Linux中gcc没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩
3.结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的
整数倍。

如这是以上代码中结构体的内存：

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

如下代码：

以下是它的内存布局：

5.2 为什么存在内存对⻬?

(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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

5.3如何节省空间

(1)将相同类型的成员尽可能的相邻的写。

如这样：

(2)修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。
#pragma pack(1)表示修改默认对齐数为1。

#pragma pack()表示恢复编译器默认对齐数

6.位段

谈到内存的节省，那就不得不提位段了。

位段存在的目的本就是为了节省空间。位段的定义和结构体很相似，不同的是需要在结构体成员后面加冒号和数字，数字代表的是要为这个成员开辟的比特空间个数。

6.1位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int ，unsigned int ， signed int 或者是 char 等类型
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。

如以下结构体在内存中的储存：

在不同编译器上储存方式可能是不相同的，因为位段的储存并没有一个标准。

6.2位段的跨平台问题

        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。
        3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
        4. 当⼀个结构包含两个位段，第⼆个位段成员⽐较⼤，⽆法容纳于第⼀个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利⽤，这是不确定的。

跟结构体相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在

6.3 位段的应⽤

下图是⽹络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报⼤⼩也会较⼩⼀些，对⽹络的畅通是有帮助的。

6.4位段使⽤的注意事项

位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。