【C语言】结构体内存对齐问题

1.结构体内存对齐

我们已经基本掌握了结构体的使用了。那我们现在必须得知道结构体在内存中是如何存储的？内存是如何分配的？所以我们得知道如何计算结构体的大小？这就引出了我们今天所要探讨的内容：结构体内存对齐。

1.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
对齐数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量大小的 较⼩值。

VS 中默认对齐数的值为 8
Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的大小

结构体总大小为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的
整数倍。
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构
体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。
范例1：

objectivec 复制代码

//范例1
struct S1
{
	char c1;//1 8 1
	int i;  //4 8 4
	char c2;//1 8 1
};

int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s1));

	return 0;
}

我们画图分析一下：

我们运行一下结果看看，是不是12个字节：

确实是12个字节，这就说明，结构体在内存存储中，存在内存对齐的原则。

范例2：

objectivec 复制代码

//范例2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	struct S2 s2 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s2));

	return 0;
}

同样的道理：

运行结果：

范例3：

objectivec 复制代码

//范例3
struct S3
{
	double d;//8 8 8
	char c;  //1 8 1
	int i;   //4 8 4
};


int main()
{
	struct S3 s3 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s3));

	return 0;
}

运行结果：

范例4：

objectivec 复制代码

//范例4
struct S3
{
	double d;//8 8 8
	char c;  //1 8 1
	int i;   //4 8 4
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	struct S4 s4 = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s4));

	return 0;
}

运行结果：

1.2 为什么存在内存对齐？

⼤部分的参考资料都是这样说的：
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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
**总体来说：**结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到：
让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

objectivec 复制代码

 //例如：
 struct S1
 {
     char c1;//1 8 1
     int i;  //4 8 4
     char c2;//1 8 1
 };
//sizeof(struct S1) -> 12个字节

 struct S2
 {
     char c1;//1 8 1
     char c2;//1 8 1
     int i;  //4 8 4
 };
//sizeof(struct S2) -> 8个字节

1.3 修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

objectivec 复制代码

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
 //输出的结果是什么？
 printf("%d\n", sizeof(struct S));

 return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

运行结果：

2.结构体传参

objectivec 复制代码

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
     printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
     printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
     print1(s); //传结构体
     print2(&s); //传地址

     return 0;
}

上⾯的 print1 和 print2函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
原因：
函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
如果传递⼀个结构体对象的时候，结构体过⼤，参数压栈的的系统开销⽐较⼤，所以会导致性能的下降。
结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

3.结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

3.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ，在C99中位段成员的类型也可以
选择其他类型。
位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
比如：

objectivec 复制代码

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

A就是⼀个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少？

objectivec 复制代码

printf("%d\n", sizeof(struct A));

3.2 位段的内存分配

位段的成员可以是 int 、 unsigned int 、 signed int 或者是 char 等类型
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。

objectivec 复制代码

//⼀个例⼦
#include <stdio.h>
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	//空间是如何开辟的？

	return 0;
}

3.3 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，写成27，在16位机器会
出问题。
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。
总结：
跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

3.4 位段使用的注意事项

位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

objectivec 复制代码

struct A
{

    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};
int main()
{
    struct A sa = {0};
    scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
    //正确的⽰范
    int b = 0;
    scanf("%d", &b);
    sa._b = b;

    return 0;
}