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文章目錄

• 結構體的內存對齊與位段
• 一、結構體的內存對齊
• • 1.為什么會有內存對齊？
  • 2.如何內存對齊
  • 3. 如何在設計結構體的時候，既要滿足對齊，又要節省空間
• 二、位段
• • 1.什么是位段
  • 2.位段的內存分配
  • 3.位段的跨平臺問題
• 總結

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結構體的內存對齊與位段

一、結構體的內存對齊

1.為什么會有內存對齊？

為了計算結構體的大小，首先要了解的就是結構體內存對齊。那么為什么會存在內存對齊呢，大部分參考資料如是說：

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

性能原因： 數據結構(尤其是棧)應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
內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。

#舉個例子：對于有32根地址總線的計算機來說，每次讀取的單位是4個字節，假入定義了如下結構體：

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

由于c1占1個字節，i占4個字節，c2占1個字節，所以計算機在讀取時候，會先讀取c1和i的3個字節（共四個字節）、再讀取i的最后一個字節和c2。因此計算器不但需要進行兩次內存讀取，并且還需要對i的數據進行拼接，無形中浪費了運行的時間。所以為了減少時間的浪費，就采用了內存對齊的方式。
總的來說：內存對齊是一種拿空間來換取時間的方法。

2.如何內存對齊

首先需掌握內存對齊的規則：

第一個成員在與結構體變量偏移量為0的地址處。

其他成員變量要對齊到某個數字（對齊數）的整數倍的地址處。
對齊數 = 編譯器默認的一個對齊數與該成員大小的較小值。
VS中默認的值為8

結構體總大小為最大對齊數（每個成員變量都有一個對齊數）的整數倍。

如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整
體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍。
拿上面的定義的結構體試試：

如圖，藍色的部分是開辟的字節數（其中c1，i，c2分別為1 , 4，1個字節），紅色為經過內存對齊規則部位的字節數。
可見該結構體共占用12個字節，需讀取3次。

3. 如何在設計結構體的時候，既要滿足對齊，又要節省空間

答案是： 讓占用空間小的成員盡量集中在一起
繼續以上面的結構體為例；我們定義的結構體成員不變，只改變次序試試：

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

計算下該結構體的大小：

可以看到，經過改良的定義形式，該結構體只占用了8個字節的大小，且只讀取兩次。

二、位段

1.什么是位段

位段一般在嵌入式開發和底層開發使用，目的是大大節省內存空間。
位段的聲明和結構是類似的，有兩個不同：
1.位段的成員必須是 int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成員名后邊有一個冒號和一個數字。
比如：

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

成員名后的數字表示的是可開辟的位數。

2.位段的內存分配

位段的成員可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （屬于整形家族）類型

位段的空間上是按照需要以4個字節（ int ）或者1個字節（ char ）的方式來開辟的。

位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺的，注重可移植的程序應避免使用位段。

#舉個例子

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;

以上代碼中的結構體空間是如何開辟的呢？
分配情況如下圖所示：
a，b，c，d各自分配四個3、4、5、4個位，8個位代表一個字節，所以a和b分配在一個字節中，c和d各占一個字節。
同時位段還存在截斷問題，如上述結構體中a只分配了3個位，但s.a=10，10的二進制數為1010；因此就會將第一個1截斷成為010；再與b結合就成了01100010.

3.位段的跨平臺問題

int 位段被當成有符號數還是無符號數是不確定的。

位段中最大位的數目不能確定。（16位機器最大16，32位機器最大32，寫成27，在16位機
器會出問題。

位段中的成員在內存中從左向右分配，還是從右向左分配標準尚未定義。

當一個結構包含兩個位段，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。

總結

以上就是C語言中的結構體內存和位段問題的一些討論，感謝觀看，歡迎指正！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的关于C语言中的结构体内存对齐与位段问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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