【c语言】结构体内存对齐，位段，枚举，联合

之前学完结构体，有没有对结构体的大小会很疑惑呢？？其实结构体在内存中存储时会存在内存对齐，捎带讲讲位段，枚举，和联合，跟着小张一起学习吧

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结构体内存对齐

结构体的对齐规则:

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。
   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
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。

例1

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

如果没学过结构体的内存对齐的话，是不是觉得他的字节长度是6个字节呢？？我之前也是这样认为的

编译运行：

发现他的字节数为12，所以到底是怎么回事呢？？？

我们可以根据结构体的内存对齐规则计算一下该结构体的字节数

例2（结构体嵌套问题）

struct S4
{
    
    
 char c1;
 struct S1 s1;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

编译运行：

分析：

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。

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

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

};

编译运行
我们发现小于例1中的12个字节

修改默认对齐数

我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为8
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()
{
    
    
	//输出的结果是什么？
	
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

分析：

位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。
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

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的大小是多少？冒号后面的为对应变量所占的bit位

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

编译运行：

位段的内存分配

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

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;}

分析：

在一个字节里面放变量，如果继续放的时候该字节内的bit位不足以存放下一个变量，则在新的字节上存放新的变量

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``

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
这里就可以使用枚举了

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。 {}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

我们可以使用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举？ 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

枚举的使用

enum Color//颜色
{
    
    
	RED=1 ,
	GREEN = 2,
	BLUE = 4
};
int main()
{
    
    
	//printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	enum Color col=RED ;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异，枚举常量实质就是整型。
	col = 3.8;
	printf("%d", col);
}

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）

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）。

union Un
{
    
    
	int i;
	char c;
};
union Un un;

int main()
{
    
    
	printf("%p\n", &(un.i));
	printf("%p\n", &(un.c));
	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	printf("%x\n", un.i);
}

编译运行：

执行完71行

执行完72行

验证了共用一个内存空间，修改是在修改同一个空间

联合大小的计算

联合的大小至少是最大成员的大小。
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。

例

union Un1
{
    
    
	char c[5];
	int i;
};
int main()
{
    
    
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	
}

编译运行：

分析：联合体大小首先是最大成员的大小，c[5]占5个字节，数组c[]每个元素大小为1，和vs默认对齐数是8，则他的对齐数是1，，i占4个字节，和vs默认对齐数是8，则他的对齐数是4，则最大对齐数是4，则联合体的大小为8