结构体对齐+联合体+位段

结构体对齐

前言

我们都知道C语言中每种内置类型都有相应的大小，而结构体是基本类型的复合，是自定义类型，那么它的大小是如何计算的呢？是否是把结构体内的基本类型的相加就行了呢？为了深入了解结构体的大小事如何计算的，即不得不了解结构体对齐。

结构体对齐

要想知道如何计算，就得先知道结构体对齐的规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 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。
3. 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。
4. 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
5. 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·

举例说明，我们来计算struct s1的大小

struct S1
{
    
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
    
    

	struct S1 s;
	printf("%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

画图分析

我们假设struct s1在内存中存储的位置为绿色箭头指向的位置，从此位置开始往下数为偏移量。按照结构体的对齐规则，可知结构体的第一个成员是从偏移量为0的地址处开始存储，因为c1的类型为char所以只占一个字节，而结构体的第二个成员是要对齐到对齐数的整数倍处，我们的先求出对齐数，按照结构体对齐的第二条规定，由于我们用的编译器是VS所以默认的对齐数是8，i成员的大小为4。所以取两个数的中较小值4作为对齐数。又因为4为4的倍数，故int i是从内存区域为4的开始存储，同理可求char c2的对齐数为1,所以只需往后存储即可。此时结构体的偏移量为9，而结构体的总大小为最大对齐数的整数倍，所以还得浪费三个字节空间才达到要求。所以struct s1的大小为12。

为了验证我们的推论，我们可以利用offsetof-宏来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量大小。

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
//计算结构体成员相对于起始位置的偏移量距离
struct S1
{
    
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
    
    

	struct S1 s;
	printf("%d\n", sizeof(s));//计算结构体的大小
	printf("%u\n", offsetof(struct S1, c1));//计算c1的偏移量
	printf("%u\n", offsetof(struct S1, i));//计算i的偏移量
	printf("%u\n", offsetof(struct S1, c2));//计算c2的偏移量
	return 0;
}

控制台输出的结果

由图可以我们的分析是正确的接下来就再举一个嵌套结构体的大小如何计算的例子：

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S4
{
    
    
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

struct S3
{
    
    
	double d;
	char c;
	int i;
};

int main()
{
    
    
	struct S4 s;
	printf("%d\n", sizeof(s));
	printf("%u\n", offsetof(struct S4,c1));
	printf("%u\n", offsetof(struct S4,s3));
	printf("%u\n", offsetof(struct S4,d));
	return 0;
}

画图分析

首先struct s4中的第一个成员为char c1，从偏移量为0的位置存储占用一个字节，第二个成员为结构体，根据结构体对齐规则，嵌套的结构体要对齐到自己最大对齐数的整数倍处,而struct s3的最大对齐数为8，所以struct s3从8的整数倍开始存储，第三个成员的对齐数为8，所以从内存24的位置存储。而整个结构体的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，此时结构体的偏移量为32正好是所有最大对齐数的整数倍。所以结构体的大小为32.

控制台的输出

为什么存在内存对齐?

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。

   画图详解

不考虑对齐时，我们要读取i必须访问2次，因为第一次读取并没有读取完i，所以必须读取第二次。

考虑对齐时，我们只需读取一次便能得到i。

总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，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。

比如

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

int main()
{
    
    
	printf("s1的大小：%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("s2的大小:%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。

结果

修改默认对齐数利用#pragma这个预处理指令修改默认的对齐数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    
    
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    
    
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
    
    
    
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
        return 0;
}

结果

默认的对齐数最好设置为2的n次方，便于机器的读写。

位段

什么是位段？

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。

例如：

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

int main()
{
    
    
	printf("%d\n", sizeof(struct A));//为8
	return 0;
}

位段的内存分配

1. 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
2. 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。
3. 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。

比如

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;
	return 0;
}

画图分析

struct S的位段每次开辟按需分配1个字节，我们假设它是从字节右端开始存储，当10放到内存时只能存放3个比特位，我们将10的低位三个比特位存储起来，第一个字节只剩5个比特位，存储b时又要花费4个比特位，当存储c时，空间已经不够了，就会又开辟一个字节的空间用来存储c，第二个字节只剩3个比特位，最后存储d时又要开辟一个字节的空间。这是不考虑将字节剩余空间利用的情况，如果考虑利用第一个和第二个字节的剩余比特位是可以存储d的。具体的存储取决于编译器，C语言没有明确规定。

位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
2. 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。
3. 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。
4. 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：

跟结构体相比，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。

枚举

含义：枚举顾名思义就是一一列举。

把可能的取值一一列举。 比如我们现实生活中：一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举。性别有：男、女、保密，也可以一一列举。月份有12个月，也可以一一列举。四季也可以列举。

枚举类型的定义

enum Day//星期
{
    
    
 Mon,
 Tues,
 Wed,
 Thur,
 Fri,
 Sat,
 Sun
};
enum Sex//性别
{
    
    
 MALE,
 FEMALE,
 SECRET
}；
enum Color//颜色
{
    
    
 RED,
 GREEN,
 BLUE
};

以上定义的 enum Day ， enum Sex ， enum Color 都是枚举类型,跟定义结构体是类似的。{}中的内容是枚举类型的可能取值，也叫 枚举常量 。这些可能取值都是有值的，默认从0开始，一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初值。

例如：

enum Color//颜色
{
 RED=1,
 GREEN=2,
 BLUE=4
};

枚举的优点

1. 增加代码的可读性和可维护性
2. 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
3. 防止了命名污染（封装）
4. 便于调试
5. 使用方便，一次可以定义多个常量

#define定义的标识符在C语言的预处理阶段就会直接被替换成定义的值，我们所调试的代码其实是通过预处理->编译->汇编->链接之后的代码。此时调试的代码中的#define定义的标识符已经被处理了，就不是初始的代码，不利于调试。

枚举的使用

enum Color//颜色
{
    
    
	RED = 1,
	GREEN = 2,
	BLUE = 4
};
int main()
{
    
    

	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 = 5;
}

在C语言中将整数5赋值给枚举类型可以编译，但是在C++中无法编译。

联合（共用体）

联合类型的定义

联合也是一种特殊的自定义类型 这种类型定义的变量也包含一系列的成员，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体）。

比如：

union Un
{
    
    
	char c;
	int i;
};

int main()
{
    
    
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &u.c);
	printf("%p\n", &u.i);
	return 0;
}

画图分析

联合的特点

联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联 合至少得有能力保存最大的那个成员）。

使用联合的大小判断计算机的大小端、

int check_sys()
{
    
    

	union Un
	{
    
    
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}

int main()
{
    
    
	if (check_sys() == 1)
	{
    
    
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
    
    
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

联合大小的计算

1. 联合的大小至少是最大成员的大小。
2. 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。

```c
union un
{
    
    
	char arr[5];//数组的默认对齐数只看其类型，因为是char，所以为1
	int i;
};
int main()
{
    
    
	printf("%d\n", sizeof(union un));//8

	return 0;
}