你是真的“C”——结构体中的精髓剖析【内存对齐】+ 【位段】

  • 前言
    • 结构体内存对齐：
      • 结构体内存对齐存在的意思是什么？
        • 内存对齐例子详细剖析：
    • 结构体中的位段：
      • 什么是位段？
      • 位段的内存分配
      • 2.3 位段的跨平台问题
      • 2.4 位段的应用
  • 总结撒花

 
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前言

  哈喽各位友友们，我今天又学到了很多有趣的知识，现在迫不及待的想和大家分享一下！我仅已此文，和大家分享你是真的“C”——结构体中的精髓剖析【内存对齐】+ 【位段】。都是精华内容，可不要错过哟！！！

  结构体，属于一种自定义的结构体类型。是对于我们内置数据类型的一个补充，它的应用是非常广的。想必大家在学校已经学习了对结构体有了一定的了解，你以为你已经掌握了。其实，你只是初识了一下结构体而已。你听说过结构体内存对齐吗？听说过位段吗？我相信大家都听说过游戏中的段位~ 如果没有，那就说明你还没有真真了解结构体。废话不多说，接下来我就围绕着着两个核心要点，和大家分享我对结构体的认知和了解。

结构体内存对齐：

结构体内存对齐存在的意思是什么？

很多的参考资料是这样阐述的：

  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。
    3.总的来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

我们知道，任何数据类型都有大小而言。那么结构体的大小是多少呢？4byte？8byte？… 其实，要计算结构体的大小，首先需要搞明白结构体中的内存对齐。

既然，结构体内存对齐有那么大的价值，咋废话不多讲，我们直击主题：结构体内存对齐的几条核心法则：

  1. 标准规定：结构体的首成员存放在相对于起始地址的0偏移处。
  2. 接下来的成员依次放在其对应对齐数的整数倍偏移量处。对齐数 = 取 默认对齐数 和自身内存大小之中的较小者。
  3. 默认对齐数与环境有关，在vs环境下，默认对齐数是8，而在gcc环境下，没有默认对齐数。成员的自身大小就是对齐数。
  4. 当结构体的所有成员都放进内存中后，结构体的大小 = max（每成员的对齐数）的整数倍。即使不用那么多空间，也需要浪费空间来进行分配，进行内存对齐。
  5. 当结构体中嵌套一个结构体成员，结构体的大小还是按照取最大对齐数的整数倍，这里的对齐数是包含结构体中的对齐数的，在这些之中取出最大的那个。其余按照上述法则。

究竟是否像上述法则所说这样来进行内存对齐呢？接下来我通过几个例子来分析一波，帮助大家理解一下。

内存对齐例子详细剖析：

例题一：

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

上述的结构体大小是多少呢？

咱们画图分析：

所以答案应该是12 。是不是呢？我们在编译器中运行检验一下：

程序运行结果图：

果然是12！！！。说明我们的法则是对的，刚才的画图分析也是正确哒~

例题二：

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

咱们画图分析：

程序运行结果：

发现一个问题：结构体S1和S2的成员都是一样的，只是放的位置不同而已，但是S1分配的空间却比S2要多，这显然是浪费更多的空间了。

结论：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。

结构体中的位段：

什么是位段？

相比大家对于游戏段位还是很了解的，但位段和段位可不一样哦~ 位段属于一种自定义的数据类型。位段的声明和结构体是类似的，有两个不同：

1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int（整形家族都行，只是int 用到的频率比较高） 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。后面的数字表示的是bit。

举个栗子，让大家感受一下位段的魅力！

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

那位段A的大小是多少？
程序运行结果：

大家看到，如果没有位段的话，这个结构体的大小肯定大于8个字节的。位段的作用起到节省空间的作用。

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。

举个栗子：

空间是如何开辟的？

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;}

画图分析：

程序运行结果：

2.3 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。

2.4 位段的应用

在网路协议中用处很广，例如如下图所示：

这里的数字表示的都是bit，其实就是运用了位段的知识。
网络中就像下图所示，数据是在网络中传输的。如果太大，就会造成网络堵塞，影响效率。网络中的数据是十分庞大的，因此，位段的价值就体现出来啦！

总结撒花

 本篇文章旨在分享结构体中鲜有人知的“秘密”。希望大家通过阅读此文有所收获！如果我写的有什么不好之处，请在文章下方给出你宝贵的意见。如果觉得我写的好的话请点个赞赞和关注哦~