【熟视C语言】自定义类型之结构体详解（内存对齐，位段）

Crrrush

发布于 2023-06-23 14:32:18

1850

发布于 2023-06-23 14:32:18

文章被收录于专栏：后端开发练级指南

写在前面

本篇文章为自定义类型系列讲解的第一篇，而本篇文章讲解的时自定义类型的第一部分内容——结构体。同时，本篇文章也是结构体内容的详解，希望对你的结构体学习有所帮助。

1 结构体的声明

//结构体声明例1
struct MyStruct
{
	int a;
	char b;
};

这是一个简单的结构体声明，相信不少读者对这个声明都能信手拈来，但是结构体声明的知识远没有那么浅显。

1.1 结构体基础概念

简单地说，结构体是几个类型的值的集合，这些类型被称为成员变量，成员变量的类型可以不一样，而这个集合组成一个结构，组成一个新的类型。

1.2 声明

声明的方法和例1一样，很简单直白。这里举两个例子：

//例2
struct Student
{
       char name[20];
       int age;
       char sex[8];
       char phnum[20];
};
//例3
struct Commodity
{
       char name[30];
       int price;
       int num;
};

但是有一种特殊声明，可以在声明结构时，进行不完全的声明。例如

//例4
struct 
{
       int a;
       char b;
       int c;
}a;
//例5
struct 
{
       int a;
       char b;
       int c;
}*p;

这种结构体被称为匿名结构体，省略了结构体标签，这也意味着除了一开始声明时定义的变量，后面是无法再想创建这个类型的变量的。此外，例4和例5的成员变量是一样的，那么是否可以认为这两个结构体是同一个类型呢？

p = &a;

这一句代码在vs2022上运行会出现变量类型不兼容的警告。说明即使是成员变量相同，编译器也认为这是两个完全不同的结构体。

1.3 自引用

//例6
struct Example
{
       int num;
       struct Example next;
};
//例7
struct Example
{
       int num;
       struct Example* next;
};

例6的自引用似乎看起来比例7的更方便直接，但是实际上是否可行呢？试想一下，当在以例6的方法定义时，用sizeof(struct Example)求结构体大小时，这个大小该是多少。所以例6的写法其实是错误的。注意：无法使用typedef重命名后的结构体变量名称来定义结构体成员变量。例子：

//错误示范
typedef struct
{
       int num;
       Example* next;
}Example;
//正确示范
typedef struct Example
{
       int num;
       struct Example* next;
}Example;

1.4 定义与初始化

这部分比较简单，下面我放几个例子解释一下如何定义和初始化。

struct Stu
{
       char name[20];
       int age;
}a;//声明结构体类型并定义一个变量
struct Stu b;//定义一个结构体变量


struct Candy
{
       char name[30];
       int price;
       int num;
}n = { "chewing gum",10,1 };//声明结构体类型，定义并初始化一个变量
struct Candy m = { "Mints",6,1 };//定义并初始化一个变量


struct Reward
{
       struct Stu stu;
       struct Candy candy;
};
struct Reward a = { {"judy",6},{"lollipop",20,5} };//嵌套定义初始化

1.5 结构体内存对齐

研究结构体的内存对齐自然是用来计算结构体内存大小的，同时，这也是一个非常热门的考点，一定要掌握好。下面贴出几个代码做实验，如果可以的话，建议将先代码复制到编译器运行看是什么结果。

//实验1
struct S1
{
       char a;
       int b;
       char c;
};
//printf("%d\n", sizeof(struct S1));//计算结构体S1的大小

//实验2
struct S2
{
       char a;
       char b;
       int c;
};
//printf("%d\n", sizeof(struct S2));//计算结构体S2的大小

下图是这两个实验代码运行的结果。

很明显，虽然这两个结构体的成员变量相同，但是显示的的所占空间大小却不是一样的。所以很明显，在一个结构体变量中，结构体的成员变量的内存分布并不是紧挨着的，而是存在一定程度上的间隔，而这些间隔正是内存对齐这个机制所产生的。那么，要想知道结构体的内存大小是如何计算的，就要先理解内存对齐的规则：

成员变量的存储位置总是在结构体对齐数整数倍的偏移量的位置。由于偏移量是从0开始计算起的，所以第一个变量的对齐数的整数倍是0，也就是说第一个成员变量在结构体偏移量为0的位置。其中，对齐数 = 自身内存大小和默认对齐数两个数中的较小值（vs的默认值是8，且据笔者所知，大部分编译器是没有设置这个默认对齐数的）
结构体的大小为结构体成员变量中的最大对齐数的整数倍。
如果是嵌套了结构体的情况，那么嵌套结构体的对齐数是自身成员变量中最大对齐数，这个结构体的大小依然是成员（含嵌套结构体）变量的最大对齐数的整数倍

以上就是内存对齐的规则。其中，结构体成员变量的偏移量可以用宏offsetof求得。S1,S2内存对齐的情况如图所示：

对于S1，char a在偏移量为0的位置，之后三个位置由于都不是int b对齐数4的整数倍，所以直接跳过，从偏移量为4的位置开始存入int b，存完数据后到了偏移量为8的位置，为对齐数1的整数倍，存入char c，但此时结构体整体的内存并没有停止，由于此时总大小为9，不是成员变量中最大对齐数4的整数倍，所以继续往下占用空间，直到总大小为4的整数倍为止。对于S2，第一个成员变量char a在偏移量为0的位置，而第二个成员变量char b则直接在偏移量为1的位置，之后跳过两个位置在偏移量为4的位置存储int c。此时总大小为8，是结构体成员变量最大对齐数的整数倍，所以不再继续往下占用空间，结构体总大小为8。下图是用offsetof求成员变量的偏移量验证刚刚的推导，事实与结论符合。

再给出下面两个实验代码，我会给出分析图和运行结构，请自行分析。

//实验3
struct S3
{
       double a;
       char b;
};
//printf("%d\n", sizeof(struct S3));//计算结构体S3的大小

//实验4
struct S4
{
       struct S3 a;
       int b;
       char c;
};
//printf("%d\n", sizeof(struct S4));//计算结构体S4的大小

在分析完以上几个结构体的存储时，我们发现内存对齐有时可能会浪费大量的空间，可能会有人会有疑问，既然内存对齐会造成那么大的空间浪费，那为什么当初设计的时候要这样设计呢？内存对齐的设计，大体上考虑以下两个因素：

不是所有的平台都能访问任意位置的任意类型的数据的。某些硬件平台只能在特定位置取出特定数据，若不存在内存对齐则会出现硬件异常。这是考虑了代码的泛用性。
数据结构（尤其是栈）应该让数据尽可能靠近自然边界。这个比较难理解，由于处理数据时要用处理器上的寄存器，而寄存器访问内存数据时并不是一个一个字节访问的，一个寄存器的宽度是32位或者64位（根据平台而定），也就是说是一块一块空间访问的，而内存不对齐是必然会出现某一块空间的数据是属于两个变量的，这时候需要寄存器重新访问一遍空间以获取另外一个数据。这就造成了效率上的降低。

总的来说，内存对齐是一个以空间换时间的设计。

1.6修改默认对齐数

#pragma pack(4)//设置默认对齐数为8
struct S5
{
       double a;
       int b;
       char c;
};
#pragma pack()//取消设置，还原默认对齐数

在对齐方式不合适时，可以这样修改默认对齐数。

2 位段

2.1 位段是什么

位段和结构体类似，只是位段的成员类型必须是int\unsigned int\signed int\char（整型家族）中的一种，并且每个成员变量后面会有一个冒号加数字。例如：

//位段演示
struct Se
{
       int a : 3;
       char b : 3;
       int c : 5;
};

这个数字的意义就是为这个成员变量开辟的空间，单位是bit。

2.2位段的内存分配

位段的内存开辟是按一个字节(char)或者四个字节(int)来的。且位段涉及很多不确定因素，不跨平台，设计可移植的程序时应该避免使用位段。下面是位段的空间使用说明。

struct Se
{
       char a : 3;//3bit
       char b : 4;//4bit
       char c : 5;//5bit
       char d : 4;//4bit
};

int main()
{
       struct Se s = { 0 };

       s.a = 10;//二进制：1010
       s.b = 12;//二进制：1100
       s.c = 3;//二进制：11
       s.d = 4;//二进制：100

       printf("%d\n", s.a);//3bit 1010 -> 010 -> 2 
       printf("%d\n", s.b);//4bit 1100 -> 1100(最高位为符号位，进行原反补计算) -> -4
       printf("%d\n", s.c);//5bit 11 -> 00011 -> 3
       printf("%d\n", s.d);//4bit 100 -> 0100 -> 4

       return 0;
}

代码运行结果