C语言——结构体的内存对齐、位段

一、结构体的内存对齐

观察下面不同类型的两个结构体的尺寸

typedef struct A
{
	int i1;//4
	char c1;//1
}A;

typedef struct B
{
	char c2;//1
	int i2;//4
	char c3;//1
}B;

int main()
{
	A a = { 0 };
	B b = { 0 };

	printf("%d\n", sizeof(a));
	printf("%d\n", sizeof(b));
	return 0;
}

运行结果：

这两个结构体所占的内存大小与预想的不一样，为什么呢？

1.结构体的对齐规则

结构体的内存对齐就是拿空间来换取时间

（1）第一个成员

放在结构体变量在内存中存储位置的0偏移处开始

（2）从第2个成员往后的所有成员

都放在一个对齐数的整数倍的地址处

注： 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小二者的较小值（VS环境中默认的对齐数是8；Linux环境没有默认对齐数，对齐数就是成员自身大小）

（3）结构体总大小

为最大对齐数的整数倍

（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

2.例子：分析以下结构体的内存

typedef struct A
{
    char c;//1
    int i;//4
    double d;//8
    //现存 char 后，int 存到偏移量为 4（对齐数） 的整数倍的地址处
}A;

int main()
{
    A a = { 0 };
    printf("%d\n", sizeof(a)); //16
    return 0;
}

对这个结构体 A

3.修改默认对齐数

预处理指令 #pragma

#pragma pack(n)

就是将默认对齐数改为n，n取（1， 2， 4， 8， 16） 中任意一个值

例如以下修改方式：

typedef struct A
{
    char c1;//1
    int i;//4
    char c2;//1
}A;

#pragma pack(2)    //表示将默认对齐数改为2
typedef struct B
{
    char c1;//1
    int i;//4
    char c2;//1
}B;
#pragma pack()    //表示取消修改过的默认对齐数

int main()
{
    A a = { 0 };
    printf("%d\n", sizeof(a));

    B b = { 0 };
    printf("%d\n", sizeof(b));
    return 0;
}

运行结果：结构体A对齐数没变，为8，得到尺寸是12；结构体B对齐数改为2，得到尺寸是8

二、结构体实现位段的能力

1、位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

• 位段的成员必须是 int、unsigned int、char 类型
• 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字 （冒号后的数字表示成员占几个bit位）

例如：

struct A
{
	int a : 2;//成员占2个bit位
	int b : 5;//成员占5个bit位
	int c : 10;
	int d : 30;
}

A就是一个位段类型

2、位段的内存分配

位段的空间上是按照需要以4个字节（int）或1个字节（char）的方式来开辟的

struct A
{
    int a : 2;//成员占2个bit位
    int b : 5;//成员占5个bit位
    int c : 10;
    int d : 30;
};
//先开辟4个字节即32个bit位，然后分配，不够就再开辟4字节空间
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct A));//8
    return 0;
}

位段涉及很多不确定因素（下面提到有四个不确定因素），位段是不跨平台的，注意可移植的程序应该避免使用位段

3、位段的跨平台问题

1.int位段被当成有符号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，比如30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，函数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

4、位段和结构的比较

与结构相比，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