C-结构体

2019-02-20

结构体内存对齐的知识总结。

结构体

结构体内存对齐

什么是内存对齐

现代计算机中内存空间都是按照 byte 划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

为什么要有内存对齐？

对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的 CPU 在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为 32 位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这 32bit ，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要 2 个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该 32bit 数据。显然在读取效率上下降很多。

总的来说，结构体的内存对齐是拿空间来换取时间。

计算

计算结构体的大小是一个特别热门的考点，要计算结构体的大小，首先要知道结构体内存对齐规则。

第一个成员在于结构体变量偏移量为 0 的地址处；
其他成员变量要对齐到 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。

对齐数在 Windows 中 VS 下默认是 8，Linux 中默认是 4（Centos 7 下默认是8）。
机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。

一些栗子

struct s1 {
    char c1;
    int i;
    char c2;
};	// 12

struct s2 {
    char c1;
    char c2;
    int i;
};	// 8

struct s3 {
    double d;
    char c;
    int i;
};	// 16

struct s4 {
    char c1;
    struct s3 s;
    double d;
};	// 32

修改默认对齐数

#pragma pack(n)

结构体传参

函数传参的时候，参数是需要压栈的。如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，性能下降。

结构体传参的时候，要传结构体的地址进去。

位段

什么是位段

举个栗子，下面的 A 就是一个位段：

struct A {
    int _a : 2;	// 2 代表这个 _a 占用 2 个比特位，int 占 32 个比特位
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};

sizeof(struct A) -> 8

定义一个位段要注意

位段的成员必须是 int、unsigned int、signed int、char，位段中所有成员类型必须一致。

位段的定义和使用特别依赖于平台问题（可移植性差）。

位段的内存分配

位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int、char；
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该避免使用位段。

位段的跨平台问题

int 位段被方程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，无法容纳第一个位段剩余的位时，时舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

位段的应用

定制协议报头。