在我們學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)體時，可能會碰到幾個難以理解的問題，一個是內(nèi)存對齊，一個是位段。所以我想分享一下我對這兩個問題的理解，來幫助大家更好的學(xué)習(xí)這兩個知識點。

內(nèi)存對齊

struct {char i;char k; int j; }s1;struct {char i;int j;char k; }s2;int main() {printf("%d\n", sizeof(s1));printf("%d\n", sizeof(s2));return 0; }

上面的兩個結(jié)構(gòu)體，看上去是完全一樣的，只有聲明變量時的順序不一樣， 那么它們的大小一樣嗎？

運行后我們發(fā)現(xiàn)，它們兩個的大小竟然不同，而且如果我們將它們每一個的大小相加起來，得到的也應(yīng)該是6，不是上面的兩個值，那么這是因為什么呢?
這時，就牽扯到了一個叫做內(nèi)存對齊的東西。

第一個成員在與結(jié)構(gòu)體變量偏移量為0的地址處。

其他成員變量要對齊到某個數(shù)字（對齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。

對齊數(shù) = 編譯器默認(rèn)的一個對齊數(shù)與該成員大小的較小值

. vs的默認(rèn)值為8，linux默認(rèn)值為4（32位系統(tǒng)下由于數(shù)據(jù)總線只有32位，每次只能讀取4個字節(jié)）

結(jié)構(gòu)體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對齊到在自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍

光看文字的話很難看懂，所以下面我會畫幾幅圖來描述一下內(nèi)存對齊是如何運作的。

struct {char i;char k; int j; }s1;

因為第一個i與第二個j是相同類型，所以不存在偏移，k所占據(jù)的字節(jié)數(shù)比j大，所以偏移量為默認(rèn)對齊數(shù)和K的大小的最小值，所以需要偏移到四個字節(jié)，所以總共占了八個字節(jié)的大小

struct {char i;int j;char k; }s2;

看完上面的幾個圖解，我們了解到如果要合理運用空間，就應(yīng)該把占用空間較小的成員盡量集中到一起。

那么，問題來了，為什么要有內(nèi)存對齊呢？

在我們能百度到的大部分資料上，都是這樣說的:

平臺原因：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的，某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（尤其是棧）應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問，而對齊的內(nèi)存訪問僅僅需要一次。（為對齊需要讀取多個總線周期）

看文字的話，如果你還不懂，那我再來畫一幅圖

對于沒對齊過的，我們?nèi)绻胱x取這個k,因為我們每次讀取四個字節(jié)，所以第一次讀取的時候只讀取到了k的前三個字節(jié)，第二次才能讀取到k的第四個字節(jié)，然后將其進行重組，才能得到這個k。如果是對齊過的，我們就可以一次性讀取，雖然使用的空間變多了，但是速度也快了很多。

所以內(nèi)存對齊的意義就是用空間來換取時間，而空間的價格較為低廉，所以內(nèi)存對齊的性價比是十分高的。

對齊數(shù)的修改

當(dāng)然，系統(tǒng)默認(rèn)的對齊數(shù)是不能適用于所有情況下的，所以我們可以修改對齊數(shù)來適用于我們所處的情景。

我們可以適用一個預(yù)處理指令來修改默認(rèn)的對齊數(shù) # pragma pack(x)， 這個x就填入我們想修改的數(shù)值

如果我們想要只在一段使用這個對齊數(shù)，而在下一段恢復(fù)的話，可以這樣使用

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位段

講完了內(nèi)存對齊，下一個就來講講這個位段。

什么是位段

位段的聲明和結(jié)構(gòu)體是類似的，僅僅存在兩個地方的不同：

位段的成員必須是int , unsigned int ,signed int, char

位段的成員名后邊有一個冒號和一個數(shù)字

例如：

struct {int a : 1;int b : 3;int c : 5;int d : 31; }s3;

那么，它的大小是多少呢？
為什么會是8呢？
因為一個整形是4個字節(jié)，而4個字節(jié)有32個比特位，前三個我們分別給的是1，3，5，加起來總共是9，沒有達到32個比特位，而第四個占了31個，前三個已經(jīng)無法在存放這個31，所以這個31單獨存放在下一段空間中。總共占了兩個整形的空間，所以是2* 4，八個字節(jié)。

位段的內(nèi)存分配

位段的成員可以是int,unsigned int ,signed int, char類型

位段的空間上是按照需要以四個字節(jié)（int）或者一個字節(jié)（char）的方式來開辟的。

位段設(shè)計很多不確定因素，位段是不跨平臺的，所以可移植的程序應(yīng)該避免使用位段

對于這個位段，空間是如何開辟的呢？
因為一個字符型占據(jù)一個字節(jié)，而一個字節(jié)有八個比特位，所以我們需要先知道它們的二進制值

所有的二進制值我都寫出來了，同時用框框框起來的是因為二進制數(shù)的位數(shù)大于我們的位段數(shù)，所以我們需要進行截斷

這就是位段的存儲方式。

位段的跨平臺問題

上面的最后一點提到過對于跨平臺的程序應(yīng)該避免使用位段，這是為什么呢？

in位段被當(dāng)成有符號的還是無符號數(shù)是不確定的。

位段中最大位的數(shù)目不能確定（16位機器最大16，32位機器最大32，寫成27，在16位機器會出現(xiàn)問題）

位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義（這個就是我在上個月講的那個大小端的問題）

當(dāng)一個結(jié)構(gòu)包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納于第一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的

跟結(jié)構(gòu)相比，位段可以達到相同的效果，雖然可以很好的節(jié)省空間，但是存在著跨平臺的問題。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C语言程序设计 | 结构体内存对齐，位段的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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