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结构体的内存对齐与位段
一、结构体的内存对齐
1.为什么会有内存对齐？
为了计算结构体的大小，首先要了解的就是结构体内存对齐。那么为什么会存在内存对齐呢，大部分参考资料如是说：
- 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。 原因在于，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。
#举个例子：对于有32根地址总线的计算机来说，每次读取的单位是4个字节，假入定义了如下结构体：
struct s1
{
char c1;
int i;
char c2;
}
由于c1占1个字节，i占4个字节，c2占1个字节，所以计算机在读取时候，会先读取c1和i的3个字节（共四个字节）、再读取i的最后一个字节和c2。因此计算器不但需要进行两次内存读取，并且还需要对i的数据进行拼接，无形中浪费了运行的时间。所以为了减少时间的浪费，就采用了内存对齐的方式。
总的来说：内存对齐是一种拿空间来换取时间的方法。
2.如何内存对齐
首先需掌握内存对齐的规则：
- 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 - 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。
拿上面的定义的结构体试试：
如图，蓝色的部分是开辟的字节数（其中c1，i，c2分别为1 , 4，1个字节），红色为经过内存对齐规则部位的字节数。
可见该结构体共占用12个字节，需读取3次。
3. 如何在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间
答案是： 让占用空间小的成员尽量集中在一起
继续以上面的结构体为例；我们定义的结构体成员不变，只改变次序试试：
struct s1
{
char c1;
char c2;`
int i;
}
计算下该结构体的大小：
可以看到，经过改良的定义形式，该结构体只占用了8个字节的大小，且只读取两次。
二、位段
1.什么是位段
位段一般在嵌入式开发和底层开发使用，目的是大大节省内存空间。
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：
struct A {
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
成员名后的数字表示的是可开辟的位数。
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 （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避免使用位段。
#举个例子
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;
以上代码中的结构体空间是如何开辟的呢？
分配情况如下图所示：
a，b，c，d各自分配四个3、4、5、4个位，8个位代表一个字节，所以a和b分配在一个字节中，c和d各占一个字节。
同时位段还存在截断问题，如上述结构体中a只分配了3个位，但s.a=10，10的二进制数为1010；因此就会将第一个1截断成为010；再与b结合就成了01100010.
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
以上就是C语言中的结构体内存和位段问题的一些讨论，感谢观看，欢迎指正！