【C语言】自定义类型 —— 结构体2

简介: 【C语言】自定义类型 —— 结构体

8 结构体内存对齐


8.1 问题引入


到这里,结构体的基础知识我们基本了解了。


但是结构体的大小如何计算?这我们就不得而知了,看一个样例:

struct S1
{
  char c1;//1
  int i;//4
  char c2;//1
};
struct S2
{
  char c1;
  char c2;
  int i;
};
int main()
{
  struct S1 s1;
  struct S2 s2;
  printf("%d\n", sizeof(s1));//12
  printf("%d\n", sizeof(s2));//8
  return 0;
}

按照我们平时的想法,这两个结构体成员相同,那么就是1+4+1=6了吗?让我们运行一下:


4d92d2fb59b8a7e4553bdbe220c9dbfe.png


8.2 offsetof


我们发现结果和我们的想法截然不同,这是为什么?


在解答之前我们先了解两部分,先介绍第一部分:offsetof

size_t offsetof( structName, memberName );


  • structName:结构体类型的名称
  • memberName:结构体成员名

计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

让我们先计算一下S1每个成员的偏移量:

#include <stddef.h>//所需头文件
struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
int main()
{
  printf("%u\n", offsetof(struct S1, c1));
  printf("%u\n", offsetof(struct S1, i));
  printf("%u\n", offsetof(struct S1, c2));
  return 0;
}


运行结果:

6ea5cf4be4ecf1e2ee0bc98a3de8268a.png

根据这个偏移量,我们假设一个位置为起始位置,画出它的内存分布图

49513fe40e53a0ea65aaa7865dbd6053.png


而其中1~3的内存单位是被浪费的,且根据大小为12。9,10,11三个位置也是被浪费的。这是什么原因?看下一部分↓



8.3 结构体的内存对齐


要说这里的原理,就要讲讲结构体的内存对齐



       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。


通过这些规则,我们再重新看一下S1:


分析:


   c1为结构体第一个成员,在结构体变量偏移量为0的地址处,占用1个字节。

   i的大小为4,默认对齐数为8,取其较小值为4。对齐到4的倍数处,也就是偏移为4的位置,占用4个字节,1,2,3三个字节被浪费。

   c2的大小为1,默认对齐数为8,取其较小值对为1。对齐到1的倍数处,也就是偏移为8的位置,占用1个字节。

   结构体的总大小为最大对其数的整数倍。c1,i,c2的对齐数分别为1,4,1。结构体大小为4的倍数,当前结构体所占空间大小为9字节,要为4的倍数,则大小为1字节2,9,10,11三个字节被浪费。

这样就解释了为什么S1的大小为什么是12!我们接着看S2:


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



分析:


   c1为结构体第一个成员,在结构体变量偏移量为0的地址处,占用一个字节。

   c2的大小为1,默认对齐数为8,取其较小值为1。对齐到1的倍数处,也就是偏移为1的位置,占用1个字节。

   i的大小为4,默认对齐数为8,取其较小值为4。对齐到4的倍数处,也就是偏移为4的位置,占用4个字节。2,3两个字节被浪费。

   结构体的总大小为最大对其数的整数倍。c1,c2,i的对齐数分别为1,1,4。结构体大小为4的倍数,直接为当前结构体所占空间大小:8字节。


42ca030c773d9deadb0e5bf2c10b2612.png

8.4 小试牛刀


自己试着计算两个结构体的大小并描述内存分布和画出内存分布图:


题1:

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


分析:

   d为结构体第一个成员,在结构体变量偏移量为0的地址处,占用8个字节。

   c的大小为1,默认对齐数为8,取其较小值为1。对齐到1的倍数处,也就是偏移为8的位置,占用1个字节。

   i的大小为4,默认对齐数为8,取其较小值为4。对齐到4的倍数处,也就是偏移为12的位置,占用4个字节。9,10,11三个字节被浪费。

   结构体的总大小为最大对其数的整数倍。d,c,i的对齐数分别为8,1,4。结构体大小为8的倍数,当前结构体当前所占空间大小为16字节,为当前大小。


18b243a3243ac6738a37ebfa1233a22a.png

运行结果:

eba2aa5846bef9eae2cabad57ef05494.png

题2:

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
}//结构体嵌套情况下,结果是多少?


分析:


结构体嵌套结构体,这时就要用到我们的第四条规则:


   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。

   c1为结构体第一个成员,在结构体变量偏移量为0的地址处,占用1个字节。

   s3为结构体第二个成员,为嵌套的结构体,对齐到自己的最大对齐数的整数倍处,s3的最大对齐数我们在上面算过,为8,那么就对齐到8字节处,上面1~7字节被浪费。s3占用16个字节。

   d为结构体第三个成员,默认对齐数为8,自身大小为8,所以对齐到8的倍数处,对齐到24字节处,占用8个字节。

   结构体总大小为所有最大对其数的整数倍处。c1,s3,d最大对齐数为1,8,8。对齐到8的倍数处,结构体当前所占空间大小为32字节,为8的倍数,所以结构体大小为32字节。

4f0dc243ddc54d35252d1c1f004fd448.png

运行结果:

66e548b1d45e83a4279f21f82a925d2d.png


8.5 为什么存在内存对齐?


   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。


下面对第二条原因做出一定解释:


1f539dd7b8340b656f4e38696fe08c3a.png

假设一次读取4个字节的数据,要读取到内存中的i。


在不考虑内存对齐的情况下,需要读取两次,从c开始读,第一次读取i的三个字节,第二次读取剩余的一个字节。


而在考虑内存对齐的情况下,需要读取一次,直接从i开始读,读取i的四个字节。


总体来说:


   结构体的内存对齐是拿空间换取时间的做法。



8.6 设计结构体的细节


如何在设计结构体时,既满足对齐,又要节省空间?


让占用空间小的成员尽量集中在一起。

这样,浪费的字节也就少了。并且,当成员集中到一定程度时,说不定就正好放置到下一个元素的对齐位置上方,让空间最大程度上得到利用。


例如:

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



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,S2大小比S1小。因为S2把占用空间小的成员集中在一起。



8.7 如何修改默认对齐数


之前我们见过了#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。


#pragma pack(4)//设置默认对齐数为4
#pragma pack()//恢复默认对齐数

我们不妨设想一下,如果将默认对齐数设置为1,结构体的大小会是多少:

#pragma pack(1)
struct S1
{
  char c1;//从0开始对齐
  int i;//4 1 对齐数为1,对齐到1位置处
  char c2;//1 1 对齐数为1,从5开始对齐
  //最大对齐数为1,所以结构体大小为1的倍数即可
  //6,其实也就是没对齐
};
#pragma pack()
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));//6
  return 0;
}

   c1为结构体第一个成员,在结构体变量偏移量为0的地址处,占用1个字节。

   i的大小为4,默认对齐数为1,取其较小值为1。对齐到1的倍数处,也就是偏移为1的位置,占用4个字节。

   c2的大小为1,默认对齐数为1,取其较小值为1。对齐到1的倍数处,也就是偏移为5的位置,占用1个字节。

   结构体的总大小为最大对其数的整数倍。c1,i,c2的对齐数分别为1,1,1。结构体大小为1的倍数,所以不需要调整结构体的大小,直接为当前大小,为6个字节。


相当于对齐了个寂寞~


运行结果:


811d6d88f50d745d6fbb80691e947676.png



但是需要注意的是:


虽然支持这样修改默认对齐数,但是也不要胡乱修改,一般默认对齐数修改为2^n,机器在读取时,读取的字长为4/8个字节,尽量朝着适合读写的方法来设定。但是当结构体在对齐方式上不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。




9. 结构体传参


struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
    printf("%d\n", s.data[0]);//结构体变量.结构体成员访问结构体成员
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
    printf("%d\n", (*ps).data[0]);//*ps访问到结构体,结构体变量.操作符访问成员
    printf("%d\n", ps->data[0]);//结构体指针->结构体成员访问成员
}
int main()
{
    struct S ss = { { 1, 2, 3, 4, 5 }, 100 };
    print1(ss); //传结构体
    print2(&ss); //传地址
    return 0;
}

运行结果:

2a89b6dbb9d35ea1064488fabcab544d.png



两个函数的作用是相同的,但是上面的print1和print2函数哪个好?


在结构体成员的访问部分中,我们是通过print函数对结构体成员进行访问并打印的,而这两种传参方式截然不同,一个为结构体变量ss(传值调用),一个为结构体变量的地址&ss(传址调用)。


那么这两种传参方式哪个更好呢?当然是第二种方式,传址调用的方式。


可能大家可能会觉得print1比较好,原因是print2可能可以通过结构体指针改变结构体的内容,但是这完全可以避免,只需要对*ps加上const修饰,便可避免这种情况。


认为第二种方法更优的原因还因为:


   结构体传参时,若实参为结构体变量,那么就要创建变量的一份临时拷贝,需要大量的空间,而实参为结构体指针的话,形参的大小为4/8个字节,大大节省了空间。


   而函数传参的时候,参数是需要压栈的。


   如果传递一个结构体对象的时候,结构体过大,参数压栈的系统开销比较大,所以会导致性能的下降。


   简单来说若结构体空间过大,在压栈时需要使用大量的空间,不仅浪费了空间,更浪费了时间!

结论:结构体传参时,要传结构体的地址。


注:结构体传值时,实参结构体的地址可能和形参结构体的地址相同,编译器可能不会创建临时空间,自己进行了优化,我们使用的空间依然可能是实参的空间,为了避免这些乱七八糟的优化,我们还是选择传址调用~



10. 结语


到这里,本篇博客到此结束。相信通过这篇博客,大家对结构体也有了一定的认识。而在下篇博客中,我将利用结构体的知识,进行简易通讯录的实现,更多精彩内容,敬请期待!





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