7.内存对齐存在的合理性

大部分的参考资料都是这样讲的：

• 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。
• 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；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

总的来讲：内存对齐是一种拿空间换取时间的做法

那么在设计结构体的时候，怎样避免不必要的内存浪费呢？

让空间小的结构体成员尽量集中在一起。

例如：

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。

8.修改默认对齐数

修改默认对齐数使用的是 #pragma pack(8)

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
  return 0;
}

运行结果：

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

9.结构体传参

看案例：

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;
}

上面的print1 和print2 函数哪个好些？

答案是：首选print2函数。

解释：

• 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，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

结论：结构体传参时，要传递结构体的地址。

10.结构体实现位段

什么是位段：

位段的声明与结构体是类似的，但是有两个不同的地方：

1. 位段的成员必须是int、unsigned int 或signed int 。
2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。（这里的数字规定了该变量占用的二进制位是多少位，并不是字节数，而是二进制位数）

例如：

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

这里的A就是一个位段类型的声明。那么位段A的大小是多少呢？

struct A
{
    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};
int main()
{
    printf("%d ", sizeof(struct A));
    return 0;
}

11.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 （属于整形家族）类型。
2. 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。
3. 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。

看一个位段的案例：

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

s变量的内存又是如何开辟的呢？（这里假设地址从左至右是增高的，并且按照的是小端存储。）

这里由于成员都是char类型的，所以会先开辟一个字节的空间，开始存储元素，第一个成员a占用3个二进制位（假设从低位开始存储），第二个成员b占用4个比特位。第三个成员c要占用5个比特位，但是此时只剩余一个比特位了，不足以存储c，所以还需要另外再开辟一个字节的空间用于存储c成员（假设第一个字节剩余的那一个比特位不再使用）。第四个成员d占用4个比特位，但是第二个字节只剩三个比特位了，此时仍需开辟一个字节的空间用于存储d成员。至此所有成员存储完毕。所以位段 struct S占用3个字节的空间。

接着对四个成员进行赋值，括号里的是实际存储在内存中的内容。（当二进制位高于内存中已分配好的二进制位时，高位的部分将会被舍弃，低位部分的内容会被保留）

最终存储的结果如图所示：那么从低地址到高地址读取内存中的内容（以四个二进制位位单位）那么就是：62 03 04，那么来验证一下。

注意：但是以上的分析都是针对visual studio编译器的，对于其他平台，不一定适用。

12.位段的跨平台性

位段的跨平台性是非常差的，因为不同的编译器的规则是不同的。具体原因如下：

• 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。（上面我的分析只是在visual studio编译器中适用）
• 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。（在visual studio编译器中则是直接舍弃，但是在其他编译器中就不得而知了）

结论：

跟结构体相比，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。

13.位段的应用

• 压缩数据结构：位段可以用于压缩数据结构，将多个成员存储在较小的内存空间中。通过使用适当的位宽，可以有效地减小数据结构的大小，减少内存占用。
• 位字段标志：位段可以用于表示某个标志或开关的状态。例如，一个字节中的每个位可以表示一个开关的状态，每个位的值为0或1，从而节省了额外的存储空间。
• 位掩码：位段可以用于进行位操作和位运算。通过使用适当的位宽，可以将多个标志或选项存储在一个字节或一个字中，并使用位操作来读取、设置或清除特定的位。
• 硬件寄存器表示：位段可以用于表示硬件寄存器的位字段。在嵌入式系统或底层编程中，位段可以方便地与硬件寄存器进行交互，以读取或设置特定的位。

完结

结构体的全部内容就到这里啦，若有不足，欢迎评论区指正，下期见！