【C语言】struct结构体内存对齐和位段（超详解）

前言: 本期开始详解结构体,由于文章过长,所以分了几篇文 包括结构体概念，结构体的内存对齐以及位段 若内容对大家有所帮助,可以收藏慢慢看,感谢大家支持 谢谢大家 ! ! !

二、结构体的内存对齐

1.现象观察

先来看看一段代码： （判断结构体所占字节数）

#include <stdio.h>

struct s1
{
	char name;
	char number;
	int age;
}; 

struct s2
{
	char name;
	int age;
	char number;
};

int main()
{
	int sz1 = sizeof(struct s1);
	int sz2 = sizeof(struct s2);

	printf("s1=%d\n\ns2=%d\n\n", sz1, sz2);
	
	return 0;
}

大家可以猜猜 s1 和 s2 这两个结构体占多少字节 运行结果：

在这里插入图片描述

我们可以看到，虽然 s1 和 s2 的成员一致，但为什么大小却不一样呢？ 难道说结构体成员不是简单连续存放？ 这就是因为结构体中存在内存对齐现象

2.对齐规则

规则1：第一个成员对齐到偏移量为0的地址 规则2：其他成员要对齐到"对齐数"的整数倍地址 对齐数 = 编译器默认对齐数 与 成员变量大小的较小值 (VS默认对齐数默认8，Linux gcc无默认值) 规则3：结构体总大小为最大对齐数的整数倍 规则4：嵌套结构体按自身最大对齐数对齐

这样讲你肯定听不懂，下面我们带入例题和图解吧： s1图解：

在这里插入图片描述

s2图解：

在这里插入图片描述

有了这两张图 想必大家已经知道了为什么例题的答案是 8 和 12 了吧

但是 为什么要有内存对齐呢？ 这样不是更加消耗空间吗？

3.为什么存在内存对齐

• 平台原因

1.硬件限制： 并非所有硬件平台都能访问任意地址上的任意类型数据，某些平台只能在特定地址处访问特定类型数据。 2.访问异常： 若违反硬件规定（如在非4的倍数地址访问整型数据），会抛出硬件异常。 3.强制对齐： 例如某些硬件要求整型数据必须在地址为4的倍数处访问，因此存储时必须对齐到4的倍数。

• 性能原因

访问次数的差异： 对齐内存：处理器只需1次内存访问即可读取完整数据 未对齐内存：可能需要2次内存访问才能拼凑出完整数据

相当于用空间换时间，通过牺牲部分内存空间（填充空白字节）来提升内存访问效率

4.修改默认对齐数

我们已知，VS默认对齐数默认8，Linux gcc无默认值 但是，我们可以通过代码来自行修改默认对齐数 如下： #prama pack( x ); x就为想要更改的默认对齐数 但一般都是2的次方数数（1，2，4，8）

三、结构体实现位段（以VS为例）

1.什么是位段

位段 为一种数据结构，是结构体的一种特殊形式 可以指定成员占用的二进制位数，把数据以位的形式紧凑的储存，并允许程序员对此结构的位进行操作 成员类型通常为整型(int/unsigned int)或字符型(char) 例如： 成员名后跟冒号和位数，如 int a : 2 ; 表明指定变量 a 的存储只给 2 个bit位（原本32bit位）

2.例题

下面给出一个例题，大家也可以猜猜结果是多少

代码演示：

#include <stdio.h>

struct S1
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
}; 

int main()
{
	int sz = sizeof(struct S1);

	printf("S1=%d\n\n", sz);
	
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

是不是很奇怪，为什么结果是8，这个结构体不应该占16个字节吗？ 这就是位段的作用了 位段可以把数据以位的形式紧凑的储存

3.位段的内存分配

注意：位段涉及很多不确定性因素，是不跨平台的（每一个编译器不一样）须小心使用，这里我们以 VS 为例

位段的内存分配总共有几个步骤： 1.空间按需以4字节(int)或1字节(char)为单位开辟空间 2.给定空间后，VS在空间内部从右向左使用 3.当空间不足时，VS会开辟新空间，以此循环

文字解释不清，这里还是用图解吧：

在这里插入图片描述

如上图，这就是位段在内存中如何内存分配

4.位段的注意事项

使用位段时要注意很多：

1. 位段涉及很多不确定性因素，是不跨平台的（每一个编译器不一样）
2. 位段中存在多个成员共用一个字节的情况，这样成员的起始位置就不是字节的起始位置 故这些成员无地址，不能使用&、scanf 只能输入到一变量中后再赋值

结语

本期资料来自于：

https://legacy.cplusplus.com/

OK，本期的结构体详解到这里就结束了 由于文章过长,所以分了几篇文 若内容对大家有所帮助,可以收藏慢慢看,感谢大家支持 本文有若有不足之处，希望各位兄弟们能给出宝贵的意见。谢谢大家！！！ 新人，本期制作不易希望各位兄弟们能动动小手，三连走一走！！！ 支持一下（三连必回QwQ）