【C语言】结构体内存对齐：热门面试话题

一、结构体中内存对齐

1.1 对齐规则

• 结构体第一个成员变量对齐相对于结构体成员地址偏移量为0的位置上
  
• 其他成员变量需要对齐到对齐数的整数倍
  
• 结构体总大小为最大对齐数的正数倍
  

如果存在嵌套结构体的情况，嵌套结构体占用空间需要对齐自身最大对齐数的整数倍，同时在计算结构体总大小的时候，嵌套结构体的最大对齐数参与比较

【注意】：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

• 在vs环境下，系统默认对齐为8
  
• 在Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  

通过题目熟练的掌握以上知识.

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));--12
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));--8
struct S4
{
    char c1;
    struct S2 s2;
    double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));--24

【说明】:数值代表的是结构体变量地址处的偏移量

1.2 内存对齐的意义

⼤部分的参考资料都是这样说的：

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；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

通过上述的观察，不难看出。如果不存在内存对齐，需要执行两个内存访问（对象被分放在两块内存块），而内存对齐只需要进行一次。

对此在涉及结构体时，需要考虑满足对齐，又要节省空间。可以将占用空间小的成员尽量集中在一起

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

1.3 #pragma（预处理指令）

1.3.1 pragma相关介绍

• 用于指定计算机或操作系统特定的编译器功能
• 根据定义pragma指令是计算机或操作系统特定的，并且通常对于每个编译器而言都有所不同
• pragma指令可用于条件语句以提供新的预处理器功能，或为编译器提供实现所定义的信息，

1.3.2 #pragma pack(n)修改默认对齐数

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

推荐使用场景，在结构体进行内存对齐时，如果对于对齐方式不能达到预期，可以通过该指令更改默认对齐数

获得该成员变量的偏移量

这里需要使用一个函数offsetof()宏，该函数被声明在stddef.h文件中，以下是函数offsetof()宏

size_t offsetof(type,member);

【宏定义】:

#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((size_t)&((TYPE*)0)->MEMBER)

如果想要了解更多，可以参考下这篇博客Offsetof宏详解-CSDN博客.这里只如何去使用Offsetof()宏计算出结构体某成员地址的偏移量。

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
struct S
{
    char a;
    int i;
};
int main()
{
    printf("%d\n",offsetof(struct S,i));
    //那么这里的结果就是就是4
    return 0;
}

【小总结】:

结构体中的内存对齐是为了以空间换取时间的做法，随着计算机不断地更新换代，一般不需要担心内存空间不足的问题，逐渐地从更多考虑的是时间上的问题。同时为了节约空间的开销，提出位段

二、结构体实现位段

2.1 位段的概念

位段是结构体的一种变形，在功能、用法上与结构体基本一致，但是在于内存分配上不同，位段可以很好的节省空间，可存在位段跨平台的问题。同时与结构体相比有两个点不同。

• 成员上:int、unsigned int或signed int，但是在C99中是可以选择其他类型
• 格式上:位段成员名后面有一个冒号和一个数字

struct A
{
    char _a:2;
    char _b:5;
};

【说明】:这里数字代表的是该成员变量占用空间大小，而大小单位是比特

【问题】:位段A所占的内存大小是多大？

这个问题，需要利用下面的知识了

2.2 位段的内存分配

• 位段成员:int、unsigned int、signed int或者char等类型（需要是整形，是要转换为二进制）
• 位段开辟空间的大小一般是以四个字节或一个字节开辟的
• 位段涉及许多不确定的因素，位段是不跨平台的，注意可移植的程序，应该避免使用位段

struct S
{
    char a:3;
    char b:4;
    char c:5;
    char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

2.3 位段的跨平台问题

【不确定的因素大致包括】:

1. 内存存放的方向是从左到右，还是从右到左
2. 是低地址到高地址，还是高地址到低地址
3. int类型是不确定是被当作有符号数还是无符号数
4. 当一个结构体包括了两个位段，第二个位段比较大，无法容纳第一个位段剩下的空间，是舍弃还是利用剩下的空间，这是不确定的
5. 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)，可能会冲出最大的范围，出现问题

我们不妨以vs2013环境下测量下数据

vs2013下，位段是从左到右，从低地址到高地址，位段需要的空间不足，直接开辟一块新的空间，我们来结合图片理解下

【步骤】:

1. 位段开辟八个bit位(这里是char类型的情况)
2. 位段成员后面数字是占用多少bit位
3. 根据变量数据，转化为二级制(一个二级制为一个比特位)，根据位段对应的数据，将转为的二级制多个比特位放入
4. 关于上不确定因素中(4),vs2013选择舍弃，那就开辟一块新的空间，重复(1,2,3)步骤

2.4 位段的应用

比如下图中网络协议中，在一个结构存在很多只需要几个bit位就能实现的效果，这里使用位段就能达到想要的效果，也能节省空间的浪费。同时网络传输的数据大小也会小一点，提高了网络的流畅和效率！

【位段使用注意事项】:

struct A
{
    int _a:2;
    int _b:5;
};
int main()
{
    //错误的做法
    struct A s={0};
    scanf("%d",&s._a);
    //正确的示范
    int b=0;
    scanf("%d",&b);
    s._b=b;
    return 0;
}

【说明】:

位段的几个成员共有同一个字节，而有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置。对此这些位置是没有地址（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）

【解决办法】:

可以将值放入一个变量中，再通过赋值给位段成员，这个赋值在以后的操作中，是很巧妙的用法的。