强制类型转换与内存对齐问题小结

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本文深入探讨了C语言中的强制类型转换原理，包括基本数据类型间的转换、指针类型转换及结构体间的转换等内容，并详细解释了内存对齐的概念及其对程序效率的影响。

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C语言强制类型转换

理解：不论是什么类型，在内存中存储的都是二进制，所以之间可以相互转换，而每个内存单元为一个字节，所以强制类型转换就是在分配这些字节。

概要：

C语言中，任何一个变量都必须占有一个地址，而这个地址空间内的0-1代码就是这个变量的值。不同的数据类型占有的空间大小不一，但是他们都必须有个地址，而这个地址就是硬件访问的依据，而名字只是提供给程序员的一种记住这个地址的方便一点的方法。但是，不同的变量在机器中都是0-1代码，所以，我们不能简单的通过检查一个值的位来判断它的类型。

例如，定义如下：

int a;

float b;

double c;

long double d;

(假设它们所占的字节分别是4、8、8、10，而且连续存储于某个地址空间，起始地址是100，则我们可以得到如下内存分布)

a变量就是由以地址100开始到103结束的4个字节内存空间内的0-1代码组成。b变量则是由以地址104开始到112结束的8个字节内存空间内的0-1代码组成。而在机器中，这些内存都是连续的0-1代码，机器并不知道100~103是整型而104~111是float型，所有这些类型都是编译器告知的。当我们用a时，由于前面把a定义为int型，则编译器知道从a的地址开始向后取4个字节再把它解释成int型。那么(float)a，就是先按照int类型取出该数值，再将该数值按照int to float的规则转换成float型。所以强制类型转换就是按照某个变量的类型取出该变量的值，再按照***to***的规则进行强制转转换。如果是(类型名)常数，则是将该常数按照常数to类型的规则进行强制转换。

指针也是一个变量，它自己占据一个4个字节的地址空间（由于程序的寻址空间是2^32次方，即4GB，所以用4个字节表示指针就已经能指向任何程序能够寻址到的空间了，所以指针的大小为4字节），他的值是另一个东西的地址，这个东西可以是普通变量，结构体，还可以是个函数等等。由于，指针的大小是4字节，所以，我们可以将指针强制转换成int型或者其他类型。同样，我们也可以将任何一个常数转换成int型再赋值给指针。所有的指针所占的空间大小都是4字节，他们只是声明的类型不同，他们的值都是地址指向某个东西，他们对于机器来说没有本质差别，他们之间可以进行强制类型转换。
指针 to 指针的强制类型转换是指将指针所指的内容的类型由原先的类型转换为后面的类型。

int a = 1;

int *p = &a;

float *p1 = (float*)p;

则p和p1的值都是&a，但是*p是将&a地址中的值按照int型变量进行解释，而*p1则是将&a地址中的值按照float型变量进行解释。

鉴于指针之间这种灵活的强制类型转换的需求和出于简化代码的考虑，ANSI C引入了空指针即void*。void指针又名万能指针，在现在的很多程序中，当参数不确定时就用万能指针代替，这一类的指针在线程\进程函数里特别常见。

ANSI C规定，void指针可以复制给其他任意类型的指针，其他任意类型的指针也可以复制给void指针，他们之间复制不需要强制类型转换。当然任何地址也可以复制给void型指针。我们在《网络编程》中经常会看到accept(socket, (struct sockaddr *)&saddr_c, &lenth)之类的语句在&saddr_c之前需要增加代码(struct sockaddr *)是因为当此函数被设计的时候ANSI C还没有提出void*的概念。所有的地址统一用struct sockaddr类型标识，该函数的第二个参数也是指向struct sockaddr类型的指针，此处是强制类型转换。

当然，在某些编译器中不同类型的指针也可以进行直接赋值，但一般情况下会给出类型不匹配的警告。要求程序员显示的给出指针强制类型转换可以提醒程序员小心使用指针，对于明确程序目的具有一定的好处。

1、指针类型强制转换：

int m;

int *pm = &m;

char *cp = (char *)&m;

pm指向一个整型，cp指向整型数的第一个字节

2、结构体之间的强制转换

struct str1 a;

struct str2 b;

a=(struct str1) b; //this is wrong

a=*((struct str1*)&b); //this is correct

3、关于一个程序的解释

int main(void)

{

int a[4] = {1, 2, 3, 4};

int *ptr1=(int *)(&a+1);

int *ptr2=(int *)((int)a+1);

int *c = *(a + 1);

printf("%x, %x,%x\n", ptr1[-1], *ptr2,*c);

return 0;

}

输出分别为4 和2000000,2

式子&a+1表示的是指针加法运算，而不是普通的数值加法运算

1.&a+1

&a表示数组指针，&a+1表示指向下一个数组，强制转换为int型指针，减一即指向a[3]=4;在前面两篇文章中有详细解释。而ptr1[-1]= *(ptr1 - 1) 由于ptr1是指针，指向数组a后面的下一个元素，而ptr1-1就是ptr1这个指针往前移动一个单位，移动之后这个指针指向了数组a的最后一个元素。所以就有*(ptr1-1)=4。

2.(int *)((int)a+1)

指针ptr2的处理是把数组名a强制转换成整型变量，然后再加1，然后再强制转换成整型指针，即是让ptr2指向a[0]的第二个字节，此时打印的内容就是ptr2所指向的往后4个字节的内容，也就是a{0}的后三个字节和a[1]的第一个字节上面的图没有画出里面的内容。此时需要考虑大小端问题。

字节序分两种，大端字节序(big-endian) ，小端字节序(little-endian)

1、所谓大端(big-endian)序，就是高优先位对应高有效位。就是读取或者存放数据时，最低位对应高地址。

2、所谓小端(little-endian)序，就是高优先位对应低有效位。就是读取或者存放数据时，最低位对应低地址。

由于x86平台是小端序的，因此将会打印出0200 0000，如果题目中没有说明在x86平台，那答案是不确定的，取决于具体的平台，例如ARM平台就是大端序的。

3.*(a + 1)

*(a + 1) 此时的a已经是一个常指针了，这个表达式计算出a所指向元素后面的第2个元素的地址，然后对它解引用得到相应的值。这个表达式等价于int last = a[1]

结构体类型的强制类型转换

结构体和int等类型一样，都是数据类型。其他类型怎么转换，结构体就怎么转换，没有什么特殊的地方。
楼主可能想知道的不是结构体怎样强制转换这个问题吧，猜测，楼主想知道如下几个问题：
如果将一个结构体强制类型转换为另一个结构体（或者类型），那这个结构体的成员会怎样了？
如果将一个结构体强制类型转换为另一个结构体（或者类型），那么这个结构体成员的数值又会是什么了？
解答：
1、结构体的本质是：我们和C语言约定了一段内存空间的长短，及其内容的安排。假设下面两个结构体：
struct A1
{
    int a;
    char b;
};

struct A2
{
    char a;
    int b;
};
接着，用struct A1和struct A2定义变量，并赋初值：
struct A1 x = {10, 'A'};
struct A2 y = {'A', 10};
现在最重要的是，要知道x和y的内存情况：
x的内存安排是：前4B，后1B；
y的内存安排是：前1B，后4B。
如果有struct A2 z;
z.a = ((struct A2)x).a;
那么，C语言会对x的空间，按照struct A2的格局进行解释:

也就是说，将x的第一个字节看成第一个成员，且按ASCII码处理数据，而将后面的4B看成第二个成员，并按补码格式解释数据。

内存对齐小结：

在C语言面试和考试中经常会遇到内存字节对齐的问题。今天就来对字节对齐的知识进行小结一下。

首先说说为什么要对齐。为了提高效率，计算机从内存中取数据是按照一个固定长度的。以32位机为例，它每次取32个位，也就是4个字节（每字节8个位，计算机基础知识，别说不知道）。字节对齐有什么好处？以int型数据为例，如果它在内存中存放的位置按4字节对齐，也就是说1个int的数据全部落在计算机一次取数的区间内，那么只需要取一次就可以了。如图a-1。如果不对齐，很不巧，这个int数据刚好跨越了取数的边界，这样就需要取两次才能把这个int的数据全部取到，这样效率也就降低了。