结构体的内存对齐与位段

一、结构体的内存对齐

1.为什么会有内存对齐？

为了计算结构体的大小，首先要了解的就是结构体内存对齐。那么为什么会存在内存对齐呢，大部分参考资料如是说：

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。

#举个例子：对于有32根地址总线的计算机来说，每次读取的单位是4个字节，假入定义了如下结构体：

struct s1
{char c1;
int i;
char c2;
}

由于c1占1个字节，i占4个字节，c2占1个字节，所以计算机在读取时候，会先读取c1和i的3个字节（共四个字节）、再读取i的最后一个字节和c2。因此计算器不但需要进行两次内存读取，并且还需要对i的数据进行拼接，无形中浪费了运行的时间。所以为了减少时间的浪费，就采用了内存对齐的方式。
总的来说：内存对齐是一种拿空间来换取时间的方法。

2.如何内存对齐

首先需掌握内存对齐的规则：

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。
拿上面的定义的结构体试试：

如图，蓝色的部分是开辟的字节数（其中c1，i，c2分别为1 , 4，1个字节），红色为经过内存对齐规则部位的字节数。
可见该结构体共占用12个字节，需读取3次。

3. 如何在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间

答案是：让占用空间小的成员尽量集中在一起
继续以上面的结构体为例；我们定义的结构体成员不变，只改变次序试试：

struct s1
{char c1;
char c2;`
int i;
}

计算下该结构体的大小：

可以看到，经过改良的定义形式，该结构体只占用了8个字节的大小，且只读取两次。

二、位段

1.什么是位段

位段一般在嵌入式开发和底层开发使用，目的是大大节省内存空间。
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 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：

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

成员名后的数字表示的是可开辟的位数。

2.位段的内存分配

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
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。
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避免使用位段。

#举个例子

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;

以上代码中的结构体空间是如何开辟的呢？
分配情况如下图所示：
a，b，c，d各自分配四个3、4、5、4个位，8个位代表一个字节，所以a和b分配在一个字节中，c和d各占一个字节。
同时位段还存在截断问题，如上述结构体中a只分配了3个位，但s.a=10，10的二进制数为1010；因此就会将第一个1截断成为010；再与b结合就成了01100010.

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位机器最大16，32位机器最大32，写成27，在16位机
器会出问题。
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。
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

以上就是C语言中的结构体内存和位段问题的一些讨论，感谢观看，欢迎指正！

关于C语言中的结构体内存对齐与位段问题相关推荐

C语言程序设计 | 结构体内存对齐，位段
在我们学习结构体时,可能会碰到几个难以理解的问题,一个是内存对齐,一个是位段.所以我想分享一下我对这两个问题的理解,来帮助大家更好的学习这两个知识点. 内存对齐 struct {char i;char ...
谈谈C语言中结构体内存对齐问题及其offsetof宏的基本使用
前言在C语言中,变量在内存中摆放的位置是有一定的规则的,不是想摆放到哪里就摆放到哪里,就比如常见的局部变量在栈区,全局变量在全局区等方式:而今天我们聊的结构体里面的成员变量呀,也是有一定的规则存放在 ...
语言结构体在内存的分布_结构体内存对齐，这篇文章给你彻底搞会！（干货收藏）...
脚本之家你与百万开发者在一起公众号:C语言编程作者:薛定谔的coding猫一.内存对齐的原因 1.平台原因(移植原因):一些资料上是这样说的,"不是所有的硬件平台都能访问任意地址上 ...
c语言 char转int_图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐
↑点击上方蓝色字体,关注"嵌入式软件实战派"获得更多精品干货. (以下有约5000字内容,建议收藏再读,推荐下载源码自行测试以加深理解.) 面试官:你知道C语言的结构体对齐吗? 应 ...
C语言结构体内存对齐问题
参考博文:C语言结构体内存对齐问题成员对齐: 以4字节对齐为例,如果自身类型小于4字节,则该成员的首地址是自身类型大小的整数倍:如果自身类型大于等于4字节,则该成员的首地址是4的整数倍.若内嵌结 ...
室友利用一把王者的时间就学会了【C语言结构体内存对齐】
文章目录一.什么是结构体内存对齐? 二.结构体的对齐规则结构体内存对齐规则的具体应用三.为什么会存在内存对齐总结提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考一.什么是结构体内存对齐? 从 ...
细讲C语言结构体（结构体内存对齐你懂了吗？）
结构体结构体类型的声明结构体自引用结构体变量的定义和初始化结构体内存对齐结构体传参结构体结构体的声明结构体是一些值集合的,里面可以包括char,int,double等等的各种类型构成的 ...
【C语言】自定义类型——计算结构体内存对齐
文章目录前言一.结构体结构体类型的声明结构的自引用结构体变量的定义和初始化 *结构体内存对齐修改默认对齐数结构体传参结构体实现位段(位段的填充&可移植性) 二.枚举枚举类型的 ...
【C语言】一文搞定如何计算结构体的大小----结构体内存对齐规则
要搞定如何正确地计算一个结构体的大小,我们就要深刻理解结构体内存对齐规则: 结构体内存对齐规则: 1.结构体的第一个成员永远在结构体起始位置偏移量为0的位置: 2.结构体成员从第二个成员开始,总是放在 ...

关于C语言中的结构体内存对齐与位段问题

文章目录