自定义类型：结构体【下】

2.结构体内存对齐

从上一篇我们已经掌握了结构体的基本使用了。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐。

直接来看代码讲解：

当我们计算这两个结构体大小的时候是多少呢？我们看这两个结构体成员相同，只是成员调换位置不一样。来看结果。

为什么是这种结果呢？这就涉及到我们要讲的结构体内存对齐问题了，正是有结构体内存现象和规则，才会打印出这样的结果。

对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：
1．结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为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 该成员变量大小的较小值。
-vs 中默认的值为 8

• Linux中 gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  3．结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
  4．如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

我们画图来理解

我们假设从上面红线开始开辟空间，这个时候第二字节相当于起始地址的偏移量为1，每一个字节都有相对起始地址的偏移量。用到了第一条规则：结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

运用了第二条规则：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 该成员变量大小的较小值。
-vs 中默认的值为 8

• Linux中 gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。

这个时候我们再看为什么第二个结构体s2算出来12个字节？

这个时候我们把所有的成员都放进去了。这个时候字节总大小为9，但是我们打印结果并不是9，我们来看第三条规则：结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。，我们最大对齐数为4，9并不是4的整数倍，它会往下浪费空间，直到是4的倍数12。这就是为什么我们打印结果是12。

我们宁愿牺牲一些空间，我们也要把成员放到它们对齐的边界上去，这过程中在浪费空间，比如：s2变量存放成员只需要6个字节，但是用到了12个字节。这就是内存对齐，因为有了它，所以结构体内存大小是需要计算的。

练习，看一下它有多少字节。

结果

我们再来画一下图：

解释：我们假设为s3开辟空间从0开始，由第一个规则，直接给d 0到7的字节，变量c对齐数为1，找1的倍数，给第8个字节，变量i对齐数为4，找4的倍数，我们继续往下找，找到12，给它12到15的4个字节空间，放完了，这时所占总空间为16字节，它是这几个对齐数最大的8的倍数，满足第三条规则，不再往下浪费空间了。所以打印结果为16

我们再来看一道题

结果

这个时候涉及到了我们第四条规则：如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

我们还是画一个内存空间来看

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。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齐成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？

比如上面我们所举例的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。

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。

例子：

我们设置默认对齐数时，不要乱设置，建议：1，2，4，8。

3.结构体传参

我们直接上例子来理解

这个传的是结构体变量。结构体指针变量–>成员名。

第二种方式

这个传递的是结构体变量的地址。还有一个问题：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。

4.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。

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，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。
2．位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

例子：

A就是一个位段类型。那位段A所占内存的大小是多少？

我们来看结果

为什么打印结果是8呢？这个时候我们不能用计算结构体内存大小的方法了，其实成员冒号后面的数字代表着该成员所占多少比特位。

但是这个时候又牵扯了一个问题，现在上面一共是47个比特位，其实我们有6个字节为48个比特位就够了，那我们为什么会打印出这样的结果呢？这时候我们要讲一下位段的内存分配。

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等类型
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。

看例子

我们来分析一下它是如何开辟空间的。根据上面的规则，开始时因为成员a为char类型的给它一个字节的空间，一个字节是8个比特位，但是要占3个比特，但是它是从左边开始还是从右边开始是不确定的，我们假设是从右边开始，当到b成员时，它要占4个字节，这个时候一个字节中还剩1个比特位，到c成员，我们这个一个比特位到底要不要给它也是不确定的，假设浪费掉，c成员是char类型所以打印再为它开辟一个字节的空间，放完c还剩3个比特不够放d，再浪费掉，再开辟一个字节放d。

这个时候我们用了3个字节，但是如果我们不浪费空间实际上用了2个字节的空间，看打印结果

看结果我们发现在该过程中浪费了空间，用了3个字节。这时候我们再来看它是否是按照我们之前所分析分配的呢？化成二进制位时，放不下截断，不够加零。

我们来调试看一下，我们调试看到的都是16进制的，我们先将我们上面分析的比特分成4个比特是一个16进制位，从右往左应该是6 2 0 3 0 4，我们看结果。

从上面来看我们是正确的。

总结：我们用的是VS环境，在该环境下位段的开辟方式：

我们这时候再来看前面讲的例子，不再讲解了，按照上面分析就行。

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，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

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。

例子：

原文地址：https://blog.csdn.net/2402_84021550/article/details/142728169

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