浅谈结构体，结构体内存对齐

Posted 2021-10-09 m0_56186053

@TOC结构体及结构体的内存对齐

结构体的定义

1. 结构体的基本知识
   结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。
2. 结构体的定义
   例如描述一个学生

struct Stu
{
char name[20];
int age;
char id[20];
};

在声明结构的时候可以不完全声明比如

//匿名结构体类型
struct
{
 int a;
 char b;
 float c; }x;
struct
{
 int a;
 char b;
 float c; }a[20], *p;

但是这两种声明是不同的类型
因此不可以有

p=&x；

3. 结构体的自引用
   我们首先看这个自引用

struct binary_tree {
    int data;
    struct binary_tree left;
    struct binary_tree right;
};

会导致在分配内存的时候循环分配，此时编译器会计算left和right的成员变量并为之分配内存，从而导致嵌套死循环
正确的引用方式

struct binary_tree {
    int data;
    struct binary_tree * left;
    struct binary_tree * right;
};

4. 结构体的初始化
   初始化实际上并不难

struct Point
{
 int x;
 int y; }p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};
struct Stu        //类型声明
{
 char name[15];//名字
 int age;      //年龄
};
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化
struct Node
{
 int data;
 struct Point p;
 struct Node* next; 
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化

结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。
现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。
这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S3));
//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));

考点 如何计算？ 首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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 该成员大小的较小值。
   VS中默认的值为8
   Linux中的默认值为4
3. 结构体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。
4. 如果嵌套了结构体的情况，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。
   为什么存在内存对齐?
   大部分的参考资料都是如是说的：
5. 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。
6. 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。
   总体来说：
   结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法
   在设计结构体的时候我们考虑到要满足对齐，又要节省空间
   所以我们要让占用空间最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的内容一样但是内存却不同
对于s1对齐数为4
char占一个对齐数，int占一个，char又占一个一共三个
对于s2
两个char占一个
int占一个一共两个对齐数

修改默认对齐数

我们之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数

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8
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));
    printf("%d\\n", sizeof(struct S2));
    return 0; }

输出的结果分别是12和6
也就是说在结构体对齐不合适的时候，我们可以自己改变默认对齐数

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; }

我们应该选用print2，原因是函数传参时，参数会压栈，会有时间上和空间上的开销，如果传递一个结构体时，结构体过大，参数压栈的开销比较大，会导致性能的下降。
结论，结构体传参时，要穿结构体的地址。