C语言基础语法-教案17（从小白到劝退之结构体进阶）

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CPU字长

字长的概念指的是处理器在一条指令中的数据处理能力，当然这个能力还需要搭配操作系统的设定，比如常见的32位系统、64位系统，指的是在此系统环境下，处理器一次存储处理的数据可以达32位或64位。

地址对齐

CPU字长确定之后，相当于明确了系统每次存取内存数据时的边界，以32位系统为例，32位意味着CPU每次存取都以4字节为边界，因此每4字节可以认为是CPU存取内存数据的一个单元。

如果存取的数据刚好落在所需单元数之内，那么我们就说这个数据的地址是对齐的，如果存取的数据跨越了边界，使用了超过所需单元的字节，那么我们就说这个数据的地址是未对齐的。

从图中可以明显看出，数据本身占据了8个字节，在地址未对齐的情况下，CPU需要分3次才能完整地存取完这个数据，但是在地址对齐的情况下，CPU可以分2次就能完整地存取这个数据。

• 总结：

如果一个数据满足以最小单元数存放在内存中，则称它地址是对齐的，否则是未对齐的。地址对齐的含义用大白话说就是1个单元能塞得下的就不用2个；2个单元能塞得下的就不用3个。

如果发生数据地址未对齐的情况，有些系统会直接罢工，有些系统则降低性能。

普通变量的m值

以32位系统为例，由于CPU存取数据总是以4字节为单元，因此对于一个尺寸固定的数据而言，当它的地址满足某个数的整数倍时，就可以保证地址对齐。这个数就被称为变量的m值。

根据具体系统的字长，和数据本身的尺寸，m值是可以很简单计算出来的。

举例：

char   c; // 由于c占1个字节，因此c不管放哪里地址都是对齐的，因此m=1
short  s; // 由于s占2个字节，因此s地址只要是偶数就是对齐的，因此m=2
int    i; // 由于i占4个字节，因此只要i地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4
double f; // 由于f占8个字节，因此只要f地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4

printf("%p\n", &c); // &c = 1*N，即：c的地址一定满足1的整数倍
printf("%p\n", &s); // &s = 2*N，即：s的地址一定满足2的整数倍
printf("%p\n", &i); // &i = 4*N，即：i的地址一定满足4的整数倍
printf("%p\n", &f); // &f = 4*N，即：f的地址一定满足4的整数倍

注意，变量的m值跟变量本身的尺寸有关，但它们是两个不同的概念。

• 手工干预变量的m值：

char c __attribute__((aligned(32))); // 将变量 c 的m值设置为32

• 语法：
  • attribute 机制是GNU特定语法，属于C语言标准语法的扩展。
  • attribute 前后都是双下划线，aligned两边是双圆括号。
  • attribute 语句，出现在变量定义语句中的分号前面，变量标识符后面。
  • attribute 机制支持多种属性设置，其中 aligned 用来设置变量的 m 值属性。
  • 一个变量的 m 值只能提升，不能降低，且只能为正的2的n次幂。

结构体的M值

• 概念：
  • 结构体的M值，取决于其成员的m值的最大值。即：M = max{m1, m2, m3, ...};
  • 结构体的和地址和尺寸，都必须等于M值的整数倍。
• 示例：

struct node
{
    short  a; // 尺寸=1，m值=2
    double b; // 尺寸=8，m值=4
    char   c; // 尺寸=1，m值=1
};

struct node n; // M值 = max{2, 4, 1} = 4;

• 以上结构体成员存储分析：

1. 结构体的M值等于4，这意味着结构体的地址、尺寸都必须满足4的倍数。
2. 成员a的m值等于2，但a作为结构体的首元素，必须满足M值约束，即a的地址必须是4的倍数
3. 成员b的m值等于4，因此在a和b之间，需要填充2个字节的无效数据（一般填充0）
4. 成员c的m值等于1，因此c紧挨在b的后面，占一个字节即可。
5. 结构体的M值为4，因此成员c后面还需填充3个无效数据，才能将结构体尺寸凑足4的倍数。

• 以上结构体成员图解分析：

可移植性

可移植指的是相同的一段数据或者代码，在不同的平台中都可以成功运行。对于数据来说，有两方面可能会导致不可移植：

• 数据尺寸发生变化
• 数据位置发生变化

第一个问题，起因是基本的数据类型在不同的系统所占据的字节数不同造成的，解决办法是使用C语言基础语法-教案03讨论过的可移植性数据类型即可（点击查看）。本节主要讨论第二个问题。

考虑结构体：

struct node
{
    int8_t  a;
    int32_t b;
    int16_t c;
};

以上结构体，在不同的的平台中，成员的尺寸是固定不变的，但由于不同平台下各个成员的m值可能会发生改变，因此成员之间的相对位置可能是飘忽不定的，这对数据的可移植性提出了挑战。

解决的办法有两种：

• 第一，固定每一个成员的m值，也就是每个成员之间的塞入固定大小的填充物固定位置：

struct node
{
    int8_t  a __attribute__((aligned(1))); // 将 m 值固定为1
    int64_t b __attribute__((aligned(8))); // 将 m 值固定为8
    int16_t c __attribute__((aligned(2))); // 将 m 值固定为2
};

• 第二，将结构体压实，也就是每个成员之间不留任何空隙：

struct node
{
    int8_t  a;
    int64_t b;
    int16_t c;
} __attribute__((packed));