🔥引言

書接上文，我們了解關于結構體的基本知識，這篇將深入剖析結構體中一個重要的知識點:內存對齊
關于內存對齊是屬于熱門面試話題，對此單獨放在一篇來分享

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一、結構體中內存對齊

1.1 對齊規則

• 結構體第一個成員變量對齊相對于結構體成員地址偏移量為0的位置上

• 其他成員變量需要對齊到對齊數的整數倍

• 結構體總大小為最大對齊數的正數倍

如果存在嵌套結構體的情況，嵌套結構體占用空間需要對齊自身最大對齊數的整數倍，同時在計算結構體總大小的時候，嵌套結構體的最大對齊數參與比較

【注意】：對齊數 == 編譯器默認的一個對齊數與該成員變量大小的較小值

• 在vs環境下，系統默認對齊為8

• 在Linux中沒有默認對齊數，對齊數就是成員自身的大小

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通過題目熟練的掌握以上知識.

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));--12struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));--8struct S4
{char c1;struct S2 s2;double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));--24

【說明】:數值代表的是結構體變量地址處的偏移量

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1.2 內存對齊的意義

?部分的參考資料都是這樣說的：

平臺原因(移植原因)：

• 不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常

性能原因：

• 數據結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；對齊的內存訪問僅需要?次訪問。

假設?個處理器總是從內存中取8個字節，則地址必須是8的倍數。如果我們能保證將所有的double類型的數據的地址都對齊成8的倍數，那么就可以用一個內存操作來讀或者寫值了。否則，我們可能需要執行兩次內存訪問，因為對象可能被分放在兩個8字節內存塊中。

總體來說：結構體的內存對齊是拿空間來換取時間的做法

通過上述的觀察，不難看出。如果不存在內存對齊，需要執行兩個內存訪問（對象被分放在兩塊內存塊），而內存對齊只需要進行一次。

對此在涉及結構體時，需要考慮滿足對齊，又要節省空間。可以將占用空間小的成員盡量集中在一起

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
struct S2
{char c1;char c2;int i
};
S2 < S1

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1.3 #pragma（預處理指令）

1.3.1 pragma相關介紹

• 用于指定計算機或操作系統特定的編譯器功能
• 根據定義pragma指令是計算機或操作系統特定的，并且通常對于每個編譯器而言都有所不同
• pragma指令可用于條件語句以提供新的預處理器功能，或為編譯器提供實現所定義的信息，

1.3.2 #pragma pack(n)修改默認對齊數

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//設置默認對齊數為1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pacK()//取消默認對齊數，還原為默認對齊數
int main()
{printf("%d\n",sizeof(struct S));return 0;
}

推薦使用場景，在結構體進行內存對齊時，如果對于對齊方式不能達到預期，可以通過該指令更改默認對齊數

獲得該成員變量的偏移量

這里需要使用一個函數offsetof()宏，該函數被聲明在stddef.h文件中，以下是函數offsetof()宏

size_t offsetof(type,member);

【宏定義】:

#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((size_t)&((TYPE*)0)->MEMBER)

如果想要了解更多，可以參考下這篇博客Offsetof宏詳解-CSDN博客.這里只如何去使用Offsetof()宏計算出結構體某成員地址的偏移量。

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
struct S
{char a;int i;
};
int main()
{printf("%d\n",offsetof(struct S,i));//那么這里的結果就是就是4return 0;
}

【小總結】:
結構體中的內存對齊是為了以空間換取時間的做法，隨著計算機不斷地更新換代，一般不需要擔心內存空間不足的問題，逐漸地從更多考慮的是時間上的問題。同時為了節約空間的開銷，提出位段

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二、結構體實現位段

2.1 位段的概念

位段是結構體的一種變形，在功能、用法上與結構體基本一致，但是在于內存分配上不同，位段可以很好的節省空間，可存在位段跨平臺的問題。同時與結構體相比有兩個點不同。

• 成員上:int、unsigned int或signed int，但是在C99中是可以選擇其他類型
• 格式上:位段成員名后面有一個冒號和一個數字

struct A
{char _a:2;char _b:5;
};

【說明】:這里數字代表的是該成員變量占用空間大小，而大小單位是比特

【問題】:位段A所占的內存大小是多大？

這個問題，需要利用下面的知識了

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2.2 位段的內存分配

• 位段成員:int、unsigned int、signed int或者char等類型（需要是整形，是要轉換為二進制）
• 位段開辟空間的大小一般是以四個字節或一個字節開辟的
• 位段涉及許多不確定的因素，位段是不跨平臺的，注意可移植的程序，應該避免使用位段

struct S
{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;
};struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

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2.3 位段的跨平臺問題

【不確定的因素大致包括】:

1. 內存存放的方向是從左到右，還是從右到左
2. 是低地址到高地址，還是高地址到低地址
3. int類型是不確定是被當作有符號數還是無符號數
4. 當一個結構體包括了兩個位段，第二個位段比較大，無法容納第一個位段剩下的空間，是舍棄還是利用剩下的空間，這是不確定的
5. 位段中最大位的數目不能確定(16位機器最大16，32位機器最?32，寫成27，在16位機器會出問題)，可能會沖出最大的范圍，出現問題

我們不妨以vs2013環境下測量下數據

vs2013下，位段是從左到右，從低地址到高地址，位段需要的空間不足，直接開辟一塊新的空間，我們來結合圖片理解下

【步驟】:

1. 位段開辟八個bit位(這里是char類型的情況)
2. 位段成員后面數字是占用多少bit位
3. 根據變量數據，轉化為二級制(一個二級制為一個比特位)，根據位段對應的數據，將轉為的二級制多個比特位放入
4. 關于上不確定因素中(4),vs2013選擇舍棄，那就開辟一塊新的空間，重復(1,2,3)步驟

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2.4 位段的應用

比如下圖中網絡協議中，在一個結構存在很多只需要幾個bit位就能實現的效果，這里使用位段就能達到想要的效果，也能節省空間的浪費。同時網絡傳輸的數據大小也會小一點，提高了網絡的流暢和效率！

【位段使用注意事項】:

struct A
{int _a:2;int _b:5;
};
int main()
{//錯誤的做法struct A s={0};scanf("%d",&s._a);//正確的示范int b=0;scanf("%d",&b);s._b=b;return 0;
}

【說明】:

位段的幾個成員共有同一個字節，而有些成員的起始位置并不是某個字節的起始位置。對此這些位置是沒有地址（內存中每個字節分配一個地址，一個字節內部的bit位是沒有地址的）

【解決辦法】:

可以將值放入一個變量中，再通過賦值給位段成員，這個賦值在以后的操作中，是很巧妙的用法的。

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以上就是本篇文章的所有內容，在此感謝大家的觀看！這里是店小二C語言筆記，希望對你在學習C語言中有所幫助！