【c】结构体、联合体、位段

这一篇博客专门针对结构体、联合体、位段来讲讲c中的特殊数据类型，包括一些细节问题，比如内存对齐问题等。

一、基本概念

1.结构体（struct）

定义：结构体是由一批数据组合而成的一种新的数据类型，组成结构型数据的每个数据称为结构型数据的“成员”。结构体通常用来表示类型不同但是又相关的若干数据。
特点：
·结构体类型不是由系统定义好的，而是需要程序设计者自己定义。
·结构体中的每个成员可以具有不同的数据类型。
·结构体可以被声明为变量、指针或数组等，用以实现较复杂的数据结构。
·结构体的成员可以包含其他结构体，也可以包含指向自己结构体类型的指针，常用于实现链表、树等高级数据结构。

struct Person {  
    char name[50];  
    int age;  
    float height;  
};

2.联合体（union）

定义：联合体是一种特殊的数据类型，它允许在相同的内存位置存储不同类型的数据。联合体也称为共用体。
特点：
·联合体所占的内存长度等于其最长成员的长度。
·同一内存段可以用来存放几种不同类型的成员，但每一瞬时只有一种成员起作用。
·联合体变量中起作用的成员是最后一次存放的成员，在存入一个新的成员后，原有的成员的值会被覆盖。

union Data {  
    int i;  
    float f;  
    char str[20];  
};

3.位段（bit-field）

定义：位段是C语言中一种特殊的结构体，用于节省内存。位段的成员必须是整型（如int、unsigned int等），并且每个成员后面都跟着一个冒号和一个数字，表示该成员所占的位数。
特点：
·位段可以达到与结构体相同的效果，但可以更好地节省空间。
·位段的内存分配根据成员所需比特位进行，可能具有平台依赖性。
·位段中的成员在内存中从左向右分配（或根据平台可能不同），但具体分配方式可能未定义。

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

二、结构体内存对齐

1.基本规则

第一个成员：结构体的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。
后续成员：从第二个成员开始，每个成员都放在一个对齐数的整数倍地址处。对齐数是成员大小和默认对齐数中较小的一个。默认对齐数通常是编译器相关的，例如在32位系统上可能是4字节，在64位系统上可能是8字节。
结构体总大小：结构体的总大小是结构体的所有成员的对齐数中最大的那个对齐数的整数倍。如果结构体的总大小不是最大对齐数的整数倍，则会在结构体末尾进行补齐。

2..嵌套结构体

如果结构体中嵌套了其他结构体，那么嵌套的结构体也要对齐到自己的最大对齐数的整数倍处。结构体的整体大小则是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。
 

3.对齐数的确定

对齐数由编译器默认的一个对齐数和该成员大小共同决定，取两者中的较小值。例如，如果一个成员的大小是4字节，而编译器的默认对齐数是8字节，那么该成员的对齐数就是4字节。

4.修改默认对齐数

可以使用#pragma pack(n)指令来修改默认的对齐数，其中n表示要设置的对齐数。这个指令告诉编译器按照n字节对齐数据成员，而不是按照默认的对齐数。但需要注意的是，修改对齐数可能会影响程序的性能和可移植性。

#include <stdio.h>  
  
#pragma pack(push, 1) // 保存当前对齐状态，并设置对齐为1字节  
struct PackedStruct {  
    char a;  
    int b;  
    short c;  
};  
#pragma pack(pop) // 恢复之前的对齐状态  
  
int main() {  
    printf("Size of PackedStruct: %zu\n", sizeof(struct PackedStruct));  
    return 0;  
}

可以看到此时结构体大小就变为了1+4+3=7.

三、位段的内存情况

struct BitField {  
    unsigned int a : 2;  
    unsigned int b : 5; 
    unsigned int c : 4; 
    unsigned int d : 6; 
};

我们以这个例子为例分析一下位段的内存情况。

当我们为结构体赋值时候，内存分配是这样的

跟普通的结构体相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好地节省空间，不过在使用位段的时候注意跨平台问题。因为各个平台下位段中最大的为主不确定（16位机，32位机等）