C语言重难点之内存对齐和位段

一：结构体内存对齐

（1）为什么要存在内存对齐

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；某些平台只能在某些地址处取得某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
比如，当一个平台要取一个整型数据时只能在地址为4的倍数的位置取得，那么这时就需要内存对齐，否则无法访问到该整型数据。

性能原因：
数据结构（尤其是栈）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需一次。

核心思想就是：以空间换取时间

 举个例子：对于有32根地址总线的计算机来说，每次读取的单位是4个字节，假入定义了如下结构体：

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

由于c1占1个字节，i占4个字节，c2占1个字节，所以计算机在读取时候，会先读取c1和i的3个字节（共四个字节）、再读取i的最后一个字节和c2。因此计算器不但需要进行两次内存读取，并且还需要对i的数据进行拼接，无形中浪费了运行的时间。所以为了减少时间的浪费，就采用了内存对齐的方式。

（2）结构体对齐规则

• 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。（即结构体的首地址处，即对齐到0处）
• 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。
• 结构体的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，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。

其中对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。vs中默认为8。linux中默认值为4。

（3）结构体对齐演示

以下面的构体为例

struct S
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

第一步：把结构体中每个成员变量的大小与编译器的默认对齐数进行比较，取小的作为该成员的对齐数

第二步：从0位开始，画出这些成员的位置，注意对齐到自己的对齐数

故为16个字节

（4）练习

//练习1
struct S1{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
printf("%d\n", printf(struct S1);//12

//练习2 
struct S2 {
    char c1;    
    char c2;    
    int i; 
 }; 
 printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8

//练习3 
struct S3 {
    double d;    
    char c;    
    int i; 
}; 
printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16

//练习4-结构体嵌套问题 
struct S4 {
    char c1;    
    struct S3 s3;    
    double d; 
}; 
printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32

二：位段

（1）什么是位段

“节省空间”这四个字可以直截了当的点名位段的作用。

在结构体设计中，我们一般用int来存年龄这样的数据，但是年龄这个东西再大也不会达到几百几千，也就是它的范围一般是1-100，反应在整形数据的内存上，使用的可能就是32个比特位中的个别几个，也就说剩余的很多比特位就是根本不会用到的，而如果明知道这样，还要不管三七二十一直接抛出一个整形，四个字节，32个比特位存储这么小的数，未免显的有点浪费了。所以正式鉴于此，位段就能合理的进行内存设计

（2）位段怎么写

位段的基本格式如下，和结构体十分相似，其内部的数据类型一般要求是一致的

（3）位段结构体对齐怎么算

上述这个结构体所占空间大小为八个字节，在实际分配时，会一上来先分配四个字节，其中a，b，c占据2+5+10共17个比特位，剩余d需要30个比特位存储但是不够，所以再分配四个字节，拿出其中30个比特位存储。可以看出相比之前暴力的直接16个字节，现在的8个字节大大的节省了空间。

再比如下面位段

struct A
{
	unsigned a : 19;
	unsigned b : 11;
	unsigned c : 4;
	unsigned d : 29;	
	char index;
};

其中a和b共占据4个字节，c和d占据八个字节，index对齐对齐1个字节，最终就是16

 位段的跨平台问题

• int 位段被当成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，还是从右向左分配标准尚未定义。
• 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。
  

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