C语言第三十一弹---自定义类型：结构体(下)

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1、结构体内存对齐

1.1、为什么存在内存对齐?

1.2、修改默认对齐数

2、结构体传参

3、结构体实现位段

3.1、什么是位段

3.2、位段的内存分配

3.3、位段的跨平台问题

3.4、位段的应用

3.5、位段使用的注意事项

总结

上一弹我们讲解了结构体内存对齐的规则，那为什么我们需要内存对齐呢？

我们通过这一弹来进行讲解。

1、结构体内存对齐

1.1、为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是这样说的：

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；而对齐的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取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，因为对象可能被分放在两个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。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让占用空间小的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。

很显然，根据上一弹讲解的内存对齐规则，S1所占的空间更大。

1.2、修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

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

根据上一弹结构体内存对齐规则，可知该结构体的大小如上图，即6字节。

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。

2、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;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？

答案是：首选print2函数。

原因：

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：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

3、结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

3.1、什么是位段

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 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。

2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

比如：

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

A就是⼀个位段类型。

那里面的冒号和数字又表示什么呢？

首先我们要明白位段中的这个“位”字其实指的是二进制位。
我们知道一个二进制位就是1个比特位。
所以，A中int _a:2; 其实表示的就是_a的大小是2bit;
同理：
_b的大小是5bit
_c的大小是10bit
_d的大小是30bit

知道各自占用的内存空间之后，是不是将内存空间相加就是该结构体的真实内存大小呢？

2+5+10+30=47bit 因为一字节等于8bit，47bit接近6字节，是不是结构体空间就是6字节？我们通过VS测试来揭晓一下答案。

printf("%d\n", sizeof(struct A));

此处uu们肯定疑惑，刚刚算出来还不到6字节，为什么答案就是8字节呢？接下来我们来进行深入讲解。

3.2、位段的内存分配

从上面的讲解我们知道：

1. 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int 或者是 char 等类型

那位段所需的空间是如何分配的呢？

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。

此句话该怎么理解呢？

就是说，如果位段的成员全部是整型的（位段成员一般都是同类型的），那上去就先给这个位段开辟4个字节的空间，如果不够用，放不下所有的成员，那就再开辟4个字节的空间，还不够用，继续开辟，以此类推。如果成员全部是char类型的，那就一次开辟1个字节的空间，直至放得下所有成员。

注意：

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。

我们知道这些位段的规则之后，那么上面的struct A的内存大小是如何计算出来的呢？

根据上述规则可知，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，此处为int类型字段，因此需要先开辟4字节空间，但是此处是小端存储还是大端存储呢？我们前面讲解的VS中整数在内存中的存储可知，VS采用小端存储，那么此处我们也采用小端存储来计算大小，先占用2bit空间，如上图绿色方框，再占用5bit空间，如上图橙色方框，再占用10bit空间，但是此处第一个字节只剩1bit空间了，空间不够，需要占用新的空间，如上图蓝色方框，但是，最后占用30bit，同理空间不够需要占用新的空间，先占用8bit，但是此处已经没有空间了，所以需要再创建4字节空间，然后按照上图存放在内存空间中，如上图紫色方框。因此该结构体内存大小为8字节。

我们虽然根据上面的规则和VS整数在内存中存储得出上面结果，但是就一定是这样？下面我们再用一个例子证明一下。

//一个例子
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;
	//空间是如何开辟的？
	return 0;
}

根据上述结构体字段的规则，此处内存的占用如上图。

此时还是证明不了内存中真实如何存储，此时我们可以赋值一些值进行验证。

现在通过调试看看结构体s在内存中是如何存储的。

根据VS编译器的调试可知，结构体位段在VS中是按照小端进行存储的，但是不是所有编译器都是这样，因此用到其他编译器时需要自行证明。

3.3、位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

总结：

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。

3.4、位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的。

3.5、位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。

所以不能对位段的成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

struct A
{
 int _a : 2;
 int _b : 5;
 int _c : 10;
 int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}