结构体(含位域)的sizeof

 http://dev.youkuaiyun.com/develop/article/78/78272.shtm


结构体的sizeof
先看一个结构体:
struct S1
{
    char c;
    int i;
};
 sizeof(s1)在VC6中按默认设置得到的结果为8。
我们先看看sizeof的定义——sizeof的结果等于对象或者类型所占的内存字节数,好吧,那就让我们来看看S1的内存分配情况:
S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };
定义上面的变量后,加上断点,运行程序,观察s1所在的内存,你发现了什么
以我的VC6.0(sp6)为例,s1的地址为0x0012FF78,其数据内容如下:
0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF
发现了什么怎么中间夹杂了3个字节的CC看看MSDN上的说明:
When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.
原来如此,这就是传说中的字节对齐啊!一个重要的话题出现了。
为什么需要字节对齐计算机组成原理教导我们这样有助于加快计算机的取数速度,否则就得多花指令周期了。为此,编译器默认会对结构体进行处理(实际上其它地方的数据变量也是如此),让宽度为2的基本数据类型(short等)都位于能被2整除的地址上,让宽度为4的基本数据类型(int等)都位于能被4整除的地址上,以此类推。这样,两个数中间就可能需要加入填充字节,所以整个结构体的sizeof值就增长了。
让我们交换一下S1中char与int的位置:
struct S2
{
    int i;
    char c;
};
看看sizeof(S2)的结果为多少,怎么还是8再看看内存,原来成员c后面仍然有3个填充字节,这又是为什么啊别着急,下面总结规律。

字节对齐的细节和编译器实现相关,但一般而言,满足三个准则:
1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除;
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍,如有需要编译器会在成员之间加上填充字节(internal adding);
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍,如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节(trailing padding)。
对于上面的准则,有几点需要说明:
1) 前面不是说结构体成员的地址是其大小的整数倍,怎么又说到偏移量了呢因为有了第1点存在,所以我们就可以只考虑成员的偏移量,这样思考起来简单。想想为什么。

结构体某个成员相对于结构体首地址的偏移量可以通过宏offsetof()来获得,这个宏也在stddef.h中定义,如下:
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
例如,想要获得S2中c的偏移量,方法为size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等于4
2) 基本类型是指前面提到的像char、short、int、float、double这样的内置数据类型,这里所说的“数据宽度”就是指其sizeof的大小。由于结构体的成员可以是复合类型,比如另外一个结构体,所以在寻找最宽基本类型成员时,应当包括复合类型成员的子成员,而不是把复合成员看成是一个整体。但在确定复合类型成员的偏移位置时则是将复合类型作为整体看待。这里叙述起来有点拗口,思考起来也有点挠头,还是让我们看看例子吧(具体数值仍以VC6为例,以后不再说明):
struct S3
{
    char c1;
    S1 s;
    char c2
};
S1的最宽简单成员的类型为int,S3在考虑最宽简单类型成员时是将S1“打散”看的,所以S3的最宽简单类型为int,这样,通过S3定义的变量,其存储空间首地址需要被4整除,整个sizeof(S3)的值也应该被4整除。c1的偏移量为0,s的偏移量呢这时s是一个整体,它作为结构体变量也满足前面三个准则,所以其大小为8,偏移量为4,c1与s之间便需要3个填充字节,而c2与s之间就不需要了,所以c2的偏移量为12,算上c2的大小为13,13是不能被4整除的,这样末尾还得补上3个填充字节。最后得到sizeof(S3)的值为16。
通过上面的叙述,我们可以得到一个公式:
结构体的大小等于最后一个成员的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字节数目,即:

sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( tr
ailing padding )

到这里,朋友们应该对结构体的sizeof有了一个全新的认识,但不要高兴得太早,有一个影响sizeof的重要参量还未被提及,那便是编译器的pack指令。它是用来调整结构体对齐方式的,不同编译器名称和用法略有不同,VC6中通过#pragma pack实现,也可以直接修改/Zp编译开关。#pragma pack的基本用法为:#pragma pack( n ),n为字节对齐数,其取值为1、2、4、8、16,默认是8,如果这个值比结构体成员的sizeof值小,那么该成员的偏移量应该以此值为准,即是说,结构体成员的偏移量应该取二者的最小值,公式如下:
offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )
再看示例:
#pragma pack(push) // 将当前pack设置压栈保存
#pragma pack(2)// 必须在结构体定义之前使用
struct S1
{
    char c;
    int i;
};
struct S3
{
    char c1;
    S1 s;
    char c2
};
#pragma pack(pop) // 恢复先前的pack设置
计算sizeof(S1)时,min(2, sizeof(i))的值为2,所以i的偏移量为2,加上sizeof(i)等于6,能够被2整除,所以整个S1的大小为6。同样,对于sizeof(S3),s的偏移量为2,c2的偏移量为8,加上sizeof(c2)等于9,不能被2整除,添加一个填充字节,所以sizeof(S3)等于10。
现在,朋友们可以轻松的出一口气了,:)
还有一点要注意,“空结构体”(不含数据成员)的大小不为0,而是1。试想一个“不占空间”的变量如何被取地址、两个不同的“空结构体”变量又如何得以区分呢于是,“空结构体”变量也得被存储,这样编译器也就只能为其分配一个字节的空间用于占位了。如下:
struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 结果为1

含位域结构体的sizeof:
前面已经说过,位域成员不能单独被取sizeof值,我们这里要讨论的是含有位域的结构体的sizeof,只是考虑到其特殊性而将其专门列了出来。
C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,允许其它类型类型的存在。
使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字
段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字
段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;
3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方
式,Dev-C++采取压缩方式;
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

还是让我们来看看例子。
示例1
struct BF1
{
    char f1 : 3;
    char f2 : 4;
    char f3 : 5;
};
其内存布局为:
 |__f1___|____f2___ |__|____f3______|______|
 |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

位域类型为char,第1个字节仅能容纳下f1f2,所以f2被压缩到第1个字节中,而f3
能从下一个字节开始。因此sizeof(BF1)的结果为2
示例2
struct BF2
{
    char f1 : 3;
    short f2 : 4;
    char f3 : 5;
};
由于相邻位域类型不同,在VC6中其sizeof6,在Dev-C++中为2
示例3
struct BF3
{
    char f1 : 3;
    char f2;
    char f3 : 5;
};
非位域字段穿插在其中,不会产生压缩,在VC6Dev-C++中得到的大小均为3
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<think>嗯,结构体位域这个概念听起来有点抽象,我需要慢慢理清楚。首先,结构体在C语言里是用来组合不同数据类型的变量的一种方式,对吧?比如可以把一个学生的姓名、年龄、成绩等信息放在一个结构体里。那什么是位域呢?位域应该和位操作有关,可能涉及到内存的节省。 我记得以前学过,结构体的成员通常是按照字节来分配的,比如一个int占4个字节。但位域可能允许我们以更小的单位来分配内存,比如按位来分配。比如说,如果有一个变量只需要0或1,用位域的话可能只需要1位,而不是整个字节。这样的话,可以节省内存空间,尤其是在资源有限的嵌入式系统中很有用。 那具体怎么用呢?比如定义一个结构体,里面用位域来指定某些成员占多少位。比如: struct { unsigned int isReady : 1; unsigned int count : 4; } status; 这里,isReady可能只占1位,而count占4位。这样整个结构体可能只需要一个字节(如果总和不超过8位的话)。不过,这样使用的话,需要注意位域存储顺序,不同的编译器可能有不同的处理方式,可能会有大端或小端的问题。 但是,位域有没有什么限制呢?比如,不能取地址,因为位域成员可能不占用完整的字节,所以无法用指针指向它们。另外,位域的类型通常只能是整型或枚举类型,不能是浮点数或者其他复杂类型。 还有,使用位域可能会影响程序的可移植性,因为不同的编译器位域的实现可能不同,比如存储的顺序、对齐方式等。所以,在需要跨平台的时候,可能需要特别小心。 此外,位域的使用虽然节省内存,但可能会增加代码的复杂性,因为访问位域成员需要更多的位操作,可能影响运行效率。不过,在某些情况下,比如处理硬件寄存器或者协议头的时候,位域非常有用,可以方便地对应到特定的位模式。 总之,结构体位域是一种通过指定结构体成员占用的位数来节省内存的技术,适用于对内存使用有严格要求的场景,但需要注意可移植性和访问方式的限制。</think>结构体位域(Bit Field)是C/C++中用于**精细化控制结构体内存布局**的技术,允许按位(bit)为单位分配成员变量的存储空间。以下是详细说明: --- ### **一、基本概念** **定义方式**: ```c struct 结构体名 { 数据类型 成员名 : 位数; }; ``` **示例**: ```c struct Status { unsigned int isReady : 1; // 占1位(0或1) unsigned int count : 4; // 占4位(0~15) unsigned int : 3; // 无名位域,填充对齐 }; ``` --- ### **二、核心作用** 1. **节省内存** 将多个布尔值或小范围整数值压缩存储,例如: - 1位存储开关状态(0/1) - 4位存储0~15的计数值 2. **硬件接口映射** 直接对应寄存器或协议头的位级结构(如网络协议头、硬件寄存器)。 --- ### **三、关键特性** | 特性 | 说明 | |---------------------|----------------------------------------------------------------------| | **位域宽度** | 必须为整型常量(如`int a : 5;`) | | **未命名位域** | 用于占位或填充对齐(如`unsigned int : 3;`) | | **类型限制** | 仅支持整型(`int`、`unsigned int`等)或枚举类型 | | **内存分配单位** | 按编译器规则分配存储单元(通常为`int`大小的内存块) | | **跨平台问题** | 位域顺序(大端/小端)、对齐方式依赖编译器和硬件,可能影响可移植性 | --- ### **四、使用示例** ```c #include <stdio.h> // 定义位域结构体 struct Packet { unsigned int header : 8; // 8位包头 unsigned int payload : 16; // 16位数据 unsigned int checksum : 8; // 8位校验和 }; int main() { struct Packet pkt; pkt.header = 0xA5; // 赋值包头 pkt.payload = 0x1234; // 赋值数据 pkt.checksum = 0x1F; // 赋值校验和 printf("Size of struct: %zu bytes\n", sizeof(pkt)); // 输出:4字节(32位) return 0; } ``` --- ### **五、注意事项** 1. **禁止操作** - 不能对位域成员取地址(`&pkt.header`非法) - 不可定义位域数组(`int arr[5] : 3;`非法) 2. **跨平台风险** 不同编译器位域内存布局的实现可能不同,需谨慎处理关键数据。 3. **性能权衡** 位操作可能增加指令数,在内存敏感但计算密集的场景需评估性能影响。 --- ### **六、总结** - **适用场景**:内存敏感场景(嵌入式系统)、硬件接口映射、协议解析。 - **规避场景**:需跨平台移植或频繁访问的代码。 - **核心价值**:以代码可读性换取内存空间的极致优化。
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