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第一章
结构体的介绍和基本使用

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前言

前面一篇文章主要介绍了结构体的基础内容和使用，这篇接着讲述结构体的主要内容，例如计算结构体的大小，结构体的内存对齐规则，为什么存储结构体内存对齐，结构体如何传参

一、对齐规则

结构体对齐规则主要有以下几点：

1. 结构体的第一个成员对齐和结构体变量起始位置偏移量为0地址处。

2. 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变量大小的较小值 注意：VS默认的值为8 Linux中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3. 结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

这么说可能有点抽象，我们举个例子并画个图来解释一下
例1：

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

例2：

struct S2
{char c1;//c1是一个字节，VS默认对齐数为8，根据对齐规则，取较小值，所以对齐数为1char c2;//同上，对齐数为1int i;//对齐数为4
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S2));//原本的大小为1+4+1=6，//但最终要取成员中最大对齐数（4）整数倍的数,所以最终结果为8return 0;
}

例3：（嵌套结构体）

struct S3
{double d;char c;int i;
};//大小为16
struct S4
{char c1;//对齐数为1struct S3 s3;//对齐数为16double d;//对齐数为8
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S4));//如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。return 0;
}

所以最终的结果为32

二、为什么存在内存对齐？

1.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。

2.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；而对齐的内存只需要一次访问。假设一个处理器总是从内存取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分在两个8字节内存块中。
总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

三、如何修改默认对齐数

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{//自己算算以下结果是什么趴printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

四、结构体传参

struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
//结构体传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}

注意：

• 函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
• 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，所以会导致性能的下降。（结构体就像一个“超级数组”，也需要开辟空间，且开辟的空间有时比较大，所以用指针访问结构图是最优的选择）

结构体实现位段

1、什么是位段

• 位段的声明和结构是类似的，有两个不同： 位段的成员必须是int、unsigned int 或signed int
  在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型 。

• 位段的成员名后边有一个冒号和数字。

• 位段的出现就是为了节省空间。

• 位段是基于结构的。

例如：

struct A
{
int a : 2;//2指a占2个比特位
int b : 5;//5指b占5个比特位
int c : 10;//10指c占10个比特位
int d:30;
};

那么段位A所占的内存大小是多少？

这里明明是2+5+10+30=47个比特位，但结果为什么是8个字节，64个比特位呢？

这是由于对齐规则，编译器通常会对结构体进行填充，以确保结构体的每个成员都位于适当对齐的内存位置上。这个对齐过程可能导致结构体的实际大小大于成员位数之和。

编译器可能在结构体的最后添加了一些填充位，使得结构体的大小成为8字节的倍数。这是为了提高结构体的访问速度，因为访问未对齐的内存可能会导致性能下降。

所以说位段虽然节省了空间，但这种节省程度并非是绝对的。

2、位段的内存分配

1. 位段的成员可以是int、unsigned int、signed int或者是char等类型。
2. 位段的空间上是按照需要以四个字节（int）或者一个字节（char）的方式来开辟的。

举个例子：（这里我们先假设内存是从右向左使用的，且如果剩余的空间不够下一个成员使用，就浪费）

struct S
{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};
int main()
{struct S s = { 0 };s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;printf("%d", sizeof(struct S));
}

结果如图所示，这也说明了在VS中，我们上面的假设是成立的。

3、位段的跨平台问题

位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注意可移植性的程序应该避免使用位段。
原因如下：

1、比如在内存中开辟了一块32位的空间，存入的数据是从左边开始存还是从右边开始存储的，C语言没有明确规定

2、
这个问题C语言又没明确规定，所以也是取决于编译器如何实现的
3、位段中最大数的数目不能确定。（16位机器最大16,32位机器最大32，写成27，在16位机器会出现问题。）

4、int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

总的来说，跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

总结

以上就是今天要讲的内容，本文主要是对结构体进一步的认识，本文的内容是比较热门的考点，需要把本文的内容掌握的比较牢固。