C语言结构体的一些鲜为人知的小秘密

目录

一、结构体内存对齐规则：

1.1范例

1.2结构体内存对齐规则

1.3自定义默认对齐数

二、位段 

2.1什么是位段

2.2位段的内存分配

2.3位段的不足

三、枚举和联合体

3.1枚举

3.1.1枚举类型的定义

3.1.2枚举类型的使用

3.2联合体

3.2.1联合体的定义

3.2.2联合体的特点

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一、结构体内存对齐规则：

1.1范例

我们来看一下结构体所占用的内存大小：

命名 A 和 B 的结构体成员都一样， 但是为什么他们占用的内存空间不一样呢？下面我们来介绍一下结构体内存的对齐规则。

1.2结构体内存对齐规则

首先我们要知道什么是对齐数，对齐数 = 编译器中默认的对齐数 与 该成员类型变量的大小（单位是byte）中的较小值。其中，VS默认的对齐数是8，Linux无默认对齐数，对齐数是其本身。

而在结构体中存放的数据，其地址并不是严格连续存放的，而是存放在其对齐数的整数倍。

编译器为结构体开创的大小，是最大对齐数的整数倍。

struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	double grades;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct stu));
    //结果为32
	return 0;
}

1.3自定义默认对齐数

之前在我们写三子棋时创建的 .h 文件中，我们就见过 #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。

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct A
{
	int a;
	short b;
	int c;
	char d;
};
 
#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 B
{
	int a;
	short b;
	char c;
	int d;
};

当我们把结构体 A 和 B 的默认对齐数都设置为1时，我们可以再次计算一下他们的大小

可以看出，他们的内存竟然都变成了11，这也说明了我们设置的默认对齐数起作用了。 

二、位段 

2.1什么是位段

很多朋友可能是第一次听说过位段，它是什么？为什么能和结构体扯上关系？

接下来我们对比一下位段类型的结构体和正常的结构体：

不难看出来，位段类型是在我们正常定义的变量基础上加上了 :数字 。其实这代表了我们定义的变量所需要占用的存储空间，单位是 bit 。

我们分别来计算上面两种结构体的大小，我们可以得出，使用位段的结构体只需要8字节，不使用位段的结构体却要16个字节。所以，位段是用来节省空间的。

2.2位段的内存分配

我们来看个例子了解在VS中位段的内存分配。

#include
 
struct _Record_Struct
{
	unsigned char Env_Alarm_ID : 4;
	unsigned char Para1 : 2;
	unsigned char state;
	unsigned char avail : 1;
};
 
int main()
{
	sizeof(struct _Record_Struct);
 
	return 0;
}

我们在VS中运行这个程序也可以得到结果是3(byte)，和我们图中的一样。

位段虽然能节省空间，但当两个位段类型超过 1byte 时，还是会浪费第一个位段类型剩余的几个 bit ，开辟下一个字节空间来存放第二个位段类型 

我们再来看个例子来更直观的感受每一个 bit 位是怎么分配的。

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;
	return 0;
}

接下来我们通过内存看一下他们存放的数据，每四个bit位在内存中对应一个十六进制数字：

事实证明我们的理解是对的！

2.3位段的不足

我们上述只是讲解了VS中位段空间的分配，但是这仅仅是在VS中......

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。

三、枚举和联合体

接下来我们介绍两种和结构体类似的自定义类型：枚举和联合体

3.1枚举

3.1.1枚举类型的定义

我们先来看一下枚举的语法：

enum Day//星期
{
    Mon,
    Tues,
    Wed,
    Thur,
    Fri,
    Sat,
    Sun
};

enum + 命名，枚举中的类型用 , 隔开。

这些可能取值都是有值的，默认从0开始，一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初值。赋初值后定义的类型取值从初值开始递增1，如：

enum Day
{
	Mon,//0
	Tues = 2,//2
	Wed,//3
	Thur,//4
    //......
	Fri,
	Sat,
	Sun
};

3.1.2枚举类型的使用

枚举类型能怎么使用呢？ 其实它的使用在我们写一些小应用时用到的概率大一点：

enum Day//星期
{
	Mon = 1,
	Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
 
int main()
{
	int input = 0;
	scanf("%d", &input);
	switch (input)
	{
	case Mon:
	case Tues:
	case Wed:
	case Thur:
	case Fri:printf("今天是工作日\n"); break;
	case Sat:
	case Sun:printf("今天可以休息一下啦！\n"); break;
	}
	
	return 0;
}

当我们用枚举常量代替 case 情况的取值时，我们的代码是不是变得清晰易懂？

枚举的优点：
1. 增加代码的可读性和可维护性
2. 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
3. 防止了命名污染（封装）
4. 便于调试
5. 使用方便，一次可以定义多个常量

3.2联合体

3.2.1联合体的定义

联合也是一种特殊的自定义类型，这种类型定义的变量也包含一系列的成员，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体）。
比如：

//联合类型的声明
union Un
{
    char c;
    int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;
//计算连个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));

 union + 命名，成员之间用 ; 相隔。

3.2.2联合体的特点

联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）。

联合体占用空间也遵循结构体对齐规则。