解析C语言结构体,位段

                       解析C语言结构体,位段

结构体是什么呢?结构体(struct)是由一系列具有相同类型或不同类型的数据构成的数据集合,也叫结构。结构体和其他类型基础数据类型一样,例如int类型,char类型只不过结构体可以做成你想要的数据类型。以方便日后的使用。在实际项目中,结构体是大量存在的。研发人员常使用结构体来封装一些属性来组成新的类型。由于C语言无法操作数据库,所以在项目中通过对结构体内部变量的操作将大量的数据存储在内存中,以完成对数据的存储和操作。

一、首先来看一下它的定义及初始化,举个简单的例子。

1.定义和声明分开

#include<iostream>
#include<stdio.h>
struct student            
{
	int age;              //年龄
	float score;          //成绩
	char sex;              //性别
};
int main()
{
	struct student a = { 20, 79, 'f' };  //定义
	printf("年龄:%d 分数:%.2f 性别:%c\n", a.age, a.score, a.sex);
	system("pause");
	return 0;
}

2.声明时直接定义

#include<iostream>
#include<stdio.h>
struct student            
{
	int age;              //年龄
	float score;          //成绩
	char sex;              //性别
}a = { 20, 79, 'f' };
int main()
{
	//struct student a = { 20, 79, 'f' };  //定义
	printf("年龄:%d 分数:%.2f 性别:%c\n", a.age, a.score, a.sex);
	system("pause");
	return 0;
}

建议使用第一种方式。

二、结构体的typedef

typedef为C语言的关键字,作用是为一种数据类型定义一个新名字。这里的数据类型包括内部数据类型(int,char等)和自定义的数据类型(struct等)。

下面来看一个例子:

typedef struct tagstudent            
{
	int age;              //年龄
	float score;          //成绩
	char sex;              //性别
}student;

实际上这些语句完成了两个操作:定义了一个新的结构类型;typedef为这个新的结构起了一个名字,叫student,所以实际上这里struct tagstudent相当于student,我们可以使用student来定义变量。

int main()
{
	student a = { 20, 79, 'f' };  //定义
	printf("年龄:%d 分数:%.2f 性别:%c\n", a.age, a.score, a.sex);
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果和第一问中是一样的。

三、.结构体的内存存储

我们必须要知道,一个结构体变量定义完之后,其在内存中的存储并不等于其所包含元素的宽度之和,还是上面那个例子,我们一起分析。

#include<iostream>
#include<stdio.h>
struct student            
{
	int age;              //年龄
	float score;          //成绩
	char sex;              //性别
}student1;
int main()
{
	printf("%d ", sizeof(student1));
	printf("%d ", sizeof(student1.age));
	printf("%d ", sizeof(student1.score));
	printf("%d ", sizeof(student1.sex));
	system("pause");
	return 0;
}

可以发现并不是所有元素的和,这就存在内存对齐问题。首先讨论一下内存的对齐规则:

规则一:第一个成员在与结构变量偏移量为0的地址处。

规则二:其他成员变量要对齐到某个数字(对齐数)的整数倍的地址处。

              对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。

规则三:结构体总大小为最大对齐数(每个成员变量除了第一个成员都有一个对齐数)的整数倍。

规则四: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。

有人肯定想问,为什么存在内存对齐呢?原因如下:

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齐,原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要做两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。
接下来讨论如何计算,以上为例:(注:offsetof函数为计算结构体内成员在结构体中的偏移)

#include<iostream>
#include<stdio.h>
struct student            
{
	int age;              //年龄
	float score;          //成绩
	char sex;              //性别
}student1;
int main()
{
	printf("%d ", offsetof(struct student,age));
	printf("%d ", offsetof(struct student,score));
	printf("%d ", offsetof(struct student, sex));
	system("pause");
	return 0;
}

我们一起来根据以上规则分析这样偏移的原因,如图所示,12便由此可得。

(默认对齐数 vs:8,Linux:4)

四、结构实现位段,位段大小的计算及位段的数据存储

位段是在字段的声明后面加一个冒号以及一个表示字段位长的整数来实现的。位段的声明和结构类似,但位段的成员是一个或多个位的字段。位段成员必须声明位int,unsigned int或signed int类型。这种用法又被就叫作“深入逻辑元件的编程”。

例子如下:

struct S
{
	char a : 2;
	char b : 4;
	char c : 6;
	char d : 7;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	system("pause");
	return 0;
}


这个简单的结构占几个字节呢,运行结果如下:

简单的分析一下位段在内存中的存储,当一个声明指定了n个位段,第二个位段无法放在第一个位段剩余的位上,编译器会把第二个位段放在内存的下一个字节上,如果足够放下也可能直接放在第一个位段后面。

存储方式应为:

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