@TOC
:key:引:

:star:C语言有许多内置类型，如 char, short, int, long, float, double等，
:star:而描述书 （书名+作者+出版社+定价+书号）或者人 （名字+年龄+身高+身份证号码）这种 复杂对象，则要用 可自定义的结构体类型来描述。

:snowflake:本文介绍的结构体内存对齐，是面试考点，很重要，小伙伴们都搞起来！

正文开始

一、结构体基础知识

1.结构体声明与变量的定义

struct tag
{
     member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表（可以在这里直接创建变量也可不写）

例如描述一本书：（
在这里插入图片描述

特殊的声明:

声明结构时，可以不完全的声明。如，匿名结构体类型

//匿名结构体类型
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}s1,s2;//只能用一次，顺带着就直接创建变量s1,s2


int main()
{
    struct s3;//这样是不行的的，连名字都没有，没法创建
    return 0;
}

若两个结构在声明时都省略掉结构体标签：

struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}s;

struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}a[10], *p;

问：那么在上面代码基础上，这样的代码合法吗？

p = &x;

在这里插入图片描述
可见，尽管两结构体成员一模儿一样儿，编译器还是会把上面的两个声明当做完全不同的类型，所以是这段代码是非法的。

2.结构体自引用

:green_heart:自己如何找到和自己同类型的对象呢？

引：
在这里插入图片描述
那么从 节点1 如何找到 节点2 ?

//思考：像这样在一个结构体内包含为结构体本身的成员可以吗？
struct Node
{
    int data;
    struct Node n;
};
//如果可以，那sizeof(struct Node);是多少？

:x:不可以的，会无限递归下去，sizeof(struct Node);也会无限大。

:star:正确的自引用方式

struct Node
{
    int data;//数据域
    struct Node* next;//指针域-->可以找到下一个节点
};

:white_check_mark:自己能够找到同类型的另一个对象---要存同类对象的地址

3.结构体变量的初始化和使用

:green_heart:初始化：
在这里插入图片描述
:green_heart:使用：

#include<stdio.h>

struct Point
{
    int x;
    int y;
};

struct S
{
    double d;
    struct Point p;
    char name[20];
};

int main()
{
    struct S s = { 3.14, { 3, 4 }, "laowang" };
    struct S* ps = &s;

    printf("%lf\n", s.d);
    printf("%lf\n", ps->d);
    printf("----------------\n");

    printf("%d %d\n", s.p.x, s.p.y);
    printf("%d %d\n", ps->p.x, ps->p.y);
    printf("----------------\n");

    printf("%s\n", s.name);
    printf("%s\n", ps->name);
    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

二、结构体内存对齐

:star:掌握了结构体的基本使用后，将深入探讨如何 计算结构体大小。
:snowflake:这是特别热门的考点，大家 都搞起来！
思考：这个结构体类型大小是多少？

没关系，不太知道为什么小伙伴往下读就一定懂了！

1.结构体的对齐规则

:snowflake:1. 结构体的 第一个成员永远放在==结构体起始位置偏移量为0==的地址处。
:snowflake:2. 第二个成员开始，总是放在==偏移量为对齐数整数倍的地址==处。
:snowman: 对齐数 == ==编译器默认的对齐数== 与 ==变量自身大小的== 较小值 ( vs的默认值为 8)
:snowflake:3. 结构体的总大小必须是各成员的对齐数中==最大对齐数的整数倍==。

看完规则你可能还是有点蒙，不过没关系，下面

上代码边分析边学习：

struct S1
{
     char c1;
     int i;
     char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

:key:解析：
在这里插入图片描述

做几道练习来巩固一下吧！

练习2：

根据结构体内存对齐规则，思考下面结构体大小：

struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

:key:解析：
在这里插入图片描述

练习3：

根据结构体内存对齐规则，思考下面结构体大小：

struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

:key:解析
在这里插入图片描述
练习4---结构体嵌套问题

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

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S4));
    return 0;
}

这就先需要补充第四条规则：

:snowflake: 4. 如果嵌套了结构体，嵌套的结构体==对齐到自己的最大对齐数==。 整个结构体的大小是==所有成员最大对齐数==（含嵌套结构体的对齐数） 的整数倍。

:key:解析：
在这里插入图片描述

2. 结构体内存对齐的意义：

这个没有官方解释，大部分的参考资料如是说：

:fish: 1.平台原因
不是所有硬件平台都能访问任意地址的数据；某些硬件平台只能在某些地址处读取特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
:fish: 2.性能原因
数据结构(尤其是栈)应该尽可能在自然边界上对齐。
原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器可能要做两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问, 提升了效率。(画图说明)

在这里插入图片描述
结构体的内存对齐是用时间换取空间的一种做法，那在设计结构体时，可以稍稍动一点脑筋，既满足对齐，也不要浪费太多空间。

:key:让占用空间小的成员尽量集中在一起。

例如：

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};//12byte

struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};//8byte

在这里插入图片描述
尽管s1和s2类型的成员一模一样，但是占用空间的大小还是有一定区别。

3. 修改默认对齐数

之前我们见过#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：(vs默认对齐数为8，Linux没有默认对齐数)

上代码：

#include<stdio.h>

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置默认对齐数,恢复默认

#pragma pack(1)//相当于没有对齐（没有空间浪费，当然效率也比较低）
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置默认对齐数，恢复默认

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12byte
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6byte
    return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述
在结构体对齐方式不合适时，我们可以自己修改默认对齐数，但也不能乱改，一般为
2^n^ 。

4. 百度笔试题

题目：写一个宏，计算结构体中某成员相对结构体首地址的偏移量
考察： offsetof宏的实现

这里小边还没有写有关宏的文章，在此只介绍offsetof函数的使用。
在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>//@offsetof

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

//offsetof是一个宏：这里居然是类型传参，后面还会聊
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：
在这里插入图片描述

三、结构体传参

上代码：
思考：哪种打印函数更好些？

#include<stdio.h>

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};

void print1(struct S tmp)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", tmp.data[i]);
    }
    printf("\n%d\n ", tmp.num);
}

void print2(struct S* ps)//为了使ps指向内容不被修改，可以写成(const struct S* ps)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->data[i]);
    }
    printf("\n%d\n ", ps->num);
}

int main()
{
    struct S s = { { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 }, 100 };
    print1(s);
    print2(&s);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

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， 效率低下。

:snowflake: 因此结构体传参时，最好还是穿结构体的地址。

四、结构体实现位段

1. 什么是位段

在此之前，你可能只听说过段位，没有听说过位段哈哈哈哈哈，不过呢，聊完结构体就要聊一聊结构体实现位段的能力：

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 、 signed int或 char，即整形家族。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：

struct S
{
    char a : 3;
    char b : 4;
    char c : 5;
    char d : 4;
};

这是什么意思呢？那我们先来测一测它的大小：

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

运行结果：
在这里插入图片描述
好像与结构体相比，位段A变小了。

其实呀，位段中的"位"代表的就是二进制位，:key:位段就是可以节省空间的！
生活中的有些值，不需要太多的存储空间，比如表示性别，男00--女01--保密11，只需要两个比特位即能表示，

struct A
{
    int _a : 2;//_a 2个bit位
    int _b : 5;//_b 5个bit位
    int _c : 10;//_c 10个bit位
    int _d : 30;//_d 30个bit位
};//47个bit位

看起来，好像6byte就足够了，那位段A的大小为什么是8byte?
那位段的内存分配究竟是怎样的呢？

2. 位段的内存分配

:snowflake:1.位段的成员必须是 int、 unsizgned int、 signed int或 char，即 整型家族。
:snowflake:2.==位段的空间==是按照需要以 4个字节( int)或者 一个字节( char)的方式来开辟。
:snowflake:3.位段涉及了很多不确定因素，位段是 不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。
那我们再来分析一下struct A的内存分配过程。

再分析一段代码：

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;
    return 0;
}

在此，我们先按照如下猜想进行内存分配：
在这里插入图片描述

为了探寻究竟，我们调试起来监视一下：（vs2013环境测试数据）
在这里插入图片描述

由此可见，接过与我刚刚分析出来的一样：

:snowman: 开辟空间 --- 一次一个字节
:snowman: 放数据 --- 从低位到高位使用，紧挨着使用；若高位空间不够用，则浪费掉，重新开辟新的字节

但这也仅仅是在vs上成立。

2.3 位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

位段中最大位的数目不能确定。（16位机器 -- int 2byte = 16bit，32位机器最大32，假如写成27，在16位机器会出问题。

位段中的成员一个整型/字节内部在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。

当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，而第一个位段剩余的位无法容纳时，是浪费还是利用剩余的位，这是不确定的。

与结构相比，位段作用相似，结构能使用的地方，位段设计合理也能实现。可以很好的节省空间，但是也有跨平台的问题存在。

2.4 位段的应用

在这里插入图片描述
本文完

接下来的文章将介绍有关枚举与联合的相关内容。

【C】深度剖析结构体@自定义类型 —— 结构体内存对齐 | 结构体实现位段

一、结构体基础知识

1.结构体声明与变量的定义

2.结构体自引用

3.结构体变量的初始化和使用

二、结构体内存对齐

1.结构体的对齐规则

2. 结构体内存对齐的意义：

3. 修改默认对齐数

4. 百度笔试题

三、结构体传参

四、结构体实现位段

1. 什么是位段

2. 位段的内存分配

2.3 位段的跨平台问题

2.4 位段的应用

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