C语言专题笔记——结构体

程序中内存从哪里来

在一个c语言程序中，能够获取内存的三种情况：栈（stack）、堆（heap）、数据区（.data）。
栈：
　　运行时自动分配&自动回收
　　反复使用：栈内存在程序中其实就是一块空间，程序反复使用这块空间。
　　脏内存
　　临时性
　　栈会溢出
堆：
　　OS堆管理器管理
　　大块内存
　　程序手动申请&释放
　　脏内存
　　临时性：堆内存只在malloc和free之间属于此进程，而可以访问，在malloc之前和free之后都不能再访问，否则会有不可预料的后果。

malloc(4) gcc中的malloc默认最小是以16B为分配的单位的。如果malloc小于16B的大小都会返回一个16字节大小的内存，malloc实现时没有实现任意自己分配，而是允许一些大小的块内存的分配。

数据区：
　　编译器在编译程序的时候，将程序中的所有元素分成了一些组成部分，各个部分构成了一个段，所以说段是可执行程序的组成部分。
　　代码段：代码段就是程序中的可执行部分，直观理解代码段就是函数堆叠组成的。
　　数据段（也被称为数据区、静态数据区、静态区）：数据段就是程序中的数据，直观理解就是c语言程序中的全局变量。（注意：全局变量才算是程序的数据，局部变量不算程序的数据，只能算是函数的数据）
　　bss段（又叫ZI（zero initial）段）：bss段的特点就是被初始化为0，bss段本质上就是属于数据段，bss段就是被初始化位0的数据段。
注意区分：数据段和bss段的区别和联系；二者本来没有本质区别，都是用来存放c程序中的全局变量的。区别在于把显示初始化位非零的全局变量存在.data段中，而把显式初始化位0或者并未显式初始化（C语言规定未显式初始化的全局变量默认为0）的全局变量存在bss段。

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有哪些特殊的数据会被放到代码段

char *p = "linux";
// 定义字符串时，字符串"linux"实际被分配在代码段，也就是说这个"linux"字符串实际上是一个常量字符串而不是变量字符串。

const型常量：
　　c语言中const关键字用来定义常量，常量就是不能被改变的量。
　　const的实现方法至少有2种：
　　第一种就是编译将const修饰的变量放在代码段去以实现不能修改（普遍见于各种单片机的编译器）；
　　第二种就是由编译器来检查以确保const型的常量不会被修改，实际上const型的常量还是和普通变量一样放在数据段的（gcc中就是这样实现的）。

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结构体概述

数组有2个明显的缺陷：
　　第一个是定义时必须明确给出大小，且这个大小在以后不能再更改；
　　第二个是数组要求所有的元素的类型必须一致。
结构体是用来解决数组的第二个缺陷的，可以将结构体理解为一个其中元素类型可以不相同的数组。
结构体完全可以取代数组，只是在数组可用的范围内数组比结构体更简单。

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结构体的对齐访问

结构体为何要对齐访问
　　结构体中元素对齐访问主要原因是为了配合硬件，也就是说硬件本身有物理上的限制，如果对齐排布和访问会提高效率，否则会大大降低效率。
　　内存本身是一个物理器件（DDR内存芯片，SoC上的DDR控制器），本身有一定的局限性：如果内存每次访问时按照4字节对齐访问，那么效率是最高的；如果你不对齐访问效率要低很多。
　　还有很多别的因素和原因，导致我们需要对齐访问。譬如Cache的一些缓存特性，还有其他硬件（譬如MMU、LCD显示器）的一些内存依赖特性，所以会要求内存对齐访问。
　　对比对齐访问和不对齐访问：对齐访问牺牲了内存空间，换取了速度性能；而非对齐访问牺牲了访问速度性能，换取了内存空间的完全利用。

gcc支持但不推荐的对齐指令：#pragma pack() #pragma pack(n) (n=1/2/4/8)
(1)#pragma是用来指挥编译器，或者说设置编译器的对齐方式的。编译器的默认对齐方式是4，但是有时候我不希望对齐方式是4，而希望是别的（譬如希望1字节对齐，也可能希望是8，甚至可能希望128字节对齐）。
(2)常用的设置编译器编译器对齐命令有2种：
　　第一种是#pragma pack()，这种就是设置编译器1字节对齐（有些人喜欢讲：设置编译器不对齐访问，还有些讲：取消编译器对齐访问）；
　　第二种是#pragma pack(4)，这个括号中的数字就表示我们希望多少字节对齐。
(3)我们需要#prgama pack(n)开头，以#pragma pack()结尾，定义一个区间，这个区间内的对齐参数就是n。
(4)#prgma pack的方式在很多C环境下都是支持的，但是gcc虽然也可以不过不建议使用。

gcc推荐的对齐指令__attribute__((packed))or__attribute__((aligned(n)))
(1)__attribute__((packed))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。packed的作用就是取消对齐访问。
(2)__attribute__((aligned(n)))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。它的作用是让整个结构体变量整体进行n字节对齐（注意是结构体变量整体n字节对齐，而不是结构体内各元素也要n字节对齐）

struct stu
{              //1字节对齐     4字节对齐
    int a;     //4               4
    char b;    //1               2（1+1）
    short c;   //2               2
    short d;   //2               4（2+2）
}__attribute__((packed));
or__attribute__((aligned(n)));
// n为1、2、4时，sizeof(struct stu)都为12
// 8 为 16，  1024 为 1024

参考阅读blog：
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/archive/2011/09/17/2179466.html
http://blog.youkuaiyun.com/sno_guo/article/details/8042332

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offsetof宏与container_of宏

由结构体指针进而访问各元素的原理
　　通过结构体整体变量来访问其中各个元素，本质上是通过指针方式来访问的，形式上是通过.的方式来访问的（这时候其实是编译器帮我们自动计算了偏移量）。

offsetof宏

// TYPE是结构体类型，MEMBER是结构体中一个元素的元素名
// 宏返回的是member元素相对于整个结构体变量的首地址的偏移量
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int) &((TYPE *)0)->MEMBER)

　　offsetof宏的作用是：用宏来计算结构体中某个元素和结构体首地址的偏移量（其实质是通过编译器来帮我们计算）。
　　offsetof宏的原理：我们虚拟一个type类型结构体变量，然后用type.member的方式来访问那个member元素，继而得到member相对于整个变量首地址的偏移量。
　　学习思路：第一步先学会用offsetof宏，第二步再去理解这个宏的实现原理。
　　
(TYPE *)0 这是一个强制类型转换，把0地址强制类型转换成一个指针，这个指针指向一个TYPE类型的结构体变量。 （实际上这个结构体变量可能不存在，但是只要我不去解引用这个指针就不会出错）。
((TYPE *)0)->MEMBER (TYPE *)0是一个TYPE类型结构体变量的指针，通过指针指针来访问这个结构体变量的member元素
&((TYPE *)0)->MEMBER 等效于&(((TYPE *)0)->MEMBER)，意义就是得到member元素的地址。但是因为整个结构体变量的首地址是0

container_of宏

// ptr是指向结构体元素member的指针，type是结构体类型，member是结构体中一个元素的元素名
// 这个宏返回的就是指向整个结构体变量的指针，类型是(type *)
#define container_of(ptr, type, member) ({          \
    const typeof(((type *)0)->member) * __mptr = (ptr); \
    (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })

　　作用：知道一个结构体中某个元素的指针，反推这个结构体变量的指针。有了container_of宏，我们可以从一个元素的指针得到整个结构体变量的指针，继而得到结构体中其他元素的指针。
　　typeof关键字的作用是：typeof(a)时由变量a得到a的类型，typeof就是由变量名得到变量数据类型的。
　　工作原理：先用typeof得到member元素的类型定义成一个指针，然后用这个指针减去该元素相对于整个结构体变量的偏移量（偏移量用offsetof宏得到的），减去之后得到的就是整个结构体变量的首地址了，再把这个地址强制类型转换为type *即可。

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大小端问题

include <stdio.h>

union myunion
{
    int a;
    char b;
};

// 如果是小端模式则返回1，小端模式则返回0
int is_little_endian(void)
{
    union myunion u1;
    u1.a = 1;   // 地址0的那个字节内是1（小端）或者0（大端）
    return u1.b;
}

int is_little_endian2(void)
{
    int a = 1;
    char b = *((char *)(&a));// 指针方式其实就是共用体的本质

    return b;
}

int main(void)
{
    int i = is_little_endian1();
    if (1 == i){
        printf("小端模式\n");
    }
    else{
        printf("大端模式\n");
    }

    return 0;
}