内存对齐与高级数据结构-优快云博客

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内存对齐

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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。 VS中默认的值为8，Linux中的默认值为4
结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
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。

内存对齐的意义

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。
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。为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

修改默认对齐数

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认对齐数

计算偏移量

有两种方法：

struct S {
	int a;
	char b;
	double c;
} s;

printf("%d\n", ((char*)&s.b - (char*)&s));
利用宏定义实现
#define FIND(type, var) ((size_t)&(((type*)0)->var))
这样不需要实例化对象也可以

位段

位段的成员可以是int，unsigned int，signed int或者是char（属于整形家族）类型
位段的空间上是按照需要以4个字节（int）或者1个字节（char）的方式来开辟的
位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段

位段的跨平台问题

int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大32）
位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

柔性数组

C99中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做柔性数组成员。

typedef struct st_type {
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员，有些编译器会报错无法编译可以改成：int a[];
} type_a;

柔性数组的特点

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。

枚举

枚举的优点：

增加代码的可读性和可维护性
和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
防止了命名污染（封装）
便于调试
使用方便，一次可以定义多个常量。
#define宏常量是在预编译阶段进行简单替换。枚举常量则是在编译的时候确定其值。

enum Color {
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};
enum Color clr = GREEN; // 只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。
clr = 1; // 在C语言中可以这样赋值，因为C语言中枚举和整型是一种类型，而C++中枚举是一个单独的类型所以会报错

联合（共用体）

在union中所有的数据成员共用一个空间，所有的数据成员具有相同的起始地址

在C++中，union成员默认属性页为public。union 主要用来压缩空间。如果一些数据
不可能在同一时间同时被用到，则可以使用 union。

联合的大小至少是最大成员的大小。当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

一个有趣的问题

typedef struct str {
	int len;
	char s[7];
} str;

int main() {
	str* f = NULL;
	if (f->s) { // 这里会出错吗？
		printf("%d\n", sizeof(f->s));
	}
	return 0;
}

这样完全没有问题，并且输出结果为7；
用空指针访问成员变量为什么不会出错？
我们可以测试下这个代码
printf("%d\n", f->s);// 输出为4
其实，所谓变量，其实是内存地址的一个抽像名字罢了。在静态编译的程序中，所有的变量名都会在编译时被转成内存地址。机器是不知道我们取的名字的，只知道地址。
所以有了——栈内存区，堆内存区，静态内存区，常量内存区，我们代码中的所有变量都会被编译器预先放到这些内存区中。
不管结构体的实例是什么------访问其成员其实就是加成员的偏移量
由于f为NULL，所以f->s就是给NULL加上偏移量4，并没有发生读取内存操作，但是如果这样：
printf("%d\n", f->s[1]); // 读取非法内存，会崩掉
printf("%d", f->len); // 读取非法内存，会崩掉
printf("%d", &(f->len)); // 没有读取内存，不会崩掉