C語言重難點(diǎn)之內(nèi)存對(duì)齊和位段的示例分析

這篇文章主要介紹了C語言重難點(diǎn)之內(nèi)存對(duì)齊和位段的示例分析，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

C語言是什么

C語言是一門面向過程的、抽象化的通用程序設(shè)計(jì)語言，廣泛應(yīng)用于底層開發(fā)，使用C語言可以以簡易的方式編譯、處理低級(jí)存儲(chǔ)器。

一：結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

（1）為什么要存在內(nèi)存對(duì)齊

平臺(tái)原因（移植原因）： 不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些平臺(tái)只能在某些地址處取得某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
比如，當(dāng)一個(gè)平臺(tái)要取一個(gè)整型數(shù)據(jù)時(shí)只能在地址為4的倍數(shù)的位置取得，那么這時(shí)就需要內(nèi)存對(duì)齊，否則無法訪問到該整型數(shù)據(jù)。

性能原因：
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（尤其是棧）應(yīng)該盡可能的在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需一次。

核心思想就是：以空間換取時(shí)間

 舉個(gè)例子：對(duì)于有32根地址總線的計(jì)算機(jī)來說，每次讀取的單位是4個(gè)字節(jié)，假入定義了如下結(jié)構(gòu)體：

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

由于c1占1個(gè)字節(jié)，i占4個(gè)字節(jié)，c2占1個(gè)字節(jié)，所以計(jì)算機(jī)在讀取時(shí)候，會(huì)先讀取c1和i的3個(gè)字節(jié)（共四個(gè)字節(jié)）、再讀取i的最后一個(gè)字節(jié)和c2。因此計(jì)算器不但需要進(jìn)行兩次內(nèi)存讀取，并且還需要對(duì)i的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，無形中浪費(fèi)了運(yùn)行的時(shí)間。所以為了減少時(shí)間的浪費(fèi)，就采用了內(nèi)存對(duì)齊的方式。

（2）結(jié)構(gòu)體對(duì)齊規(guī)則

• 第一個(gè)成員在與結(jié)構(gòu)體變量偏移量為0的地址處。（即結(jié)構(gòu)體的首地址處，即對(duì)齊到0處）

• 其他成員變量要對(duì)齊到某個(gè)數(shù)字（對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。

• 結(jié)構(gòu)體的總大小為最大對(duì)齊數(shù)（每個(gè)成員變量都有一個(gè)對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。

• 如果嵌套了結(jié)構(gòu)體，嵌套的結(jié)構(gòu)體對(duì)齊到自己的最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對(duì)齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。

其中對(duì)齊數(shù)=編譯器默認(rèn)的一個(gè)對(duì)齊數(shù)與該成員大小的較小值。vs中默認(rèn)為8。Linux中默認(rèn)值為4。

（3）結(jié)構(gòu)體對(duì)齊演示

以下面的構(gòu)體為例

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

第一步：把結(jié)構(gòu)體中每個(gè)成員變量的大小與編譯器的默認(rèn)對(duì)齊數(shù)進(jìn)行比較，取小的作為該成員的對(duì)齊數(shù)

第二步：從0位開始，畫出這些成員的位置，注意對(duì)齊到自己的對(duì)齊數(shù)

故為16個(gè)字節(jié)

（4）練習(xí)

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

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

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

//練習(xí)4-結(jié)構(gòu)體嵌套問題 
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

“節(jié)省空間”這四個(gè)字可以直截了當(dāng)?shù)狞c(diǎn)名位段的作用。

在結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)中，我們一般用int來存年齡這樣的數(shù)據(jù)，但是年齡這個(gè)東西再大也不會(huì)達(dá)到幾百幾千，也就是它的范圍一般是1-100，反應(yīng)在整形數(shù)據(jù)的內(nèi)存上，使用的可能就是32個(gè)比特位中的個(gè)別幾個(gè)，也就說剩余的很多比特位就是根本不會(huì)用到的，而如果明知道這樣，還要不管三七二十一直接拋出一個(gè)整形，四個(gè)字節(jié)，32個(gè)比特位存儲(chǔ)這么小的數(shù)，未免顯的有點(diǎn)浪費(fèi)了。所以正式鑒于此，位段就能合理的進(jìn)行內(nèi)存設(shè)計(jì)

（2）位段怎么寫

位段的基本格式如下，和結(jié)構(gòu)體十分相似，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)類型一般要求是一致的

（3）位段結(jié)構(gòu)體對(duì)齊怎么算

上述這個(gè)結(jié)構(gòu)體所占空間大小為八個(gè)字節(jié)，在實(shí)際分配時(shí)，會(huì)一上來先分配四個(gè)字節(jié)，其中a，b，c占據(jù)2+5+10共17個(gè)比特位，剩余d需要30個(gè)比特位存儲(chǔ)但是不夠，所以再分配四個(gè)字節(jié)，拿出其中30個(gè)比特位存儲(chǔ)。可以看出相比之前暴力的直接16個(gè)字節(jié)，現(xiàn)在的8個(gè)字節(jié)大大的節(jié)省了空間。

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共占據(jù)4個(gè)字節(jié)，c和d占據(jù)八個(gè)字節(jié)，index對(duì)齊對(duì)齊1個(gè)字節(jié)，最終就是16

 位段的跨平臺(tái)問題

• int 位段被當(dāng)成有符號(hào)數(shù)還是無符號(hào)數(shù)是不確定的。

• 位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機(jī)器最大16，32位機(jī)器最大32，寫成27，在16位機(jī)

• 器會(huì)出問題。

• 位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標(biāo)準(zhǔn)尚未定義。

• 當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)位段，第二個(gè)位段成員比較大，無法容納于第一個(gè)位段剩余的位時(shí)，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。
  

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