C語言重難點之內存對齊和位段
一：結構體內存對齊
（1）為什麼要存在內存對齊
平臺原因（移植原因）： 不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些平臺隻能在某些地址處取得某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常。
比如，當一個平臺要取一個整型數據時隻能在地址為4的倍數的位置取得，那麼這時就需要內存對齊，否則無法訪問到該整型數據。
性能原因：
數據結構（尤其是棧）應該盡可能的在自然邊界上對齊。原因在於，為瞭訪問未對齊內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需一次。
核心思想就是：以空間換取時間
舉個例子：對於有32根地址總線的計算機來說，每次讀取的單位是4個字節，假入定義瞭如下結構體：
struct s1
{
char c1;
int i;
char c2;
}
由於c1占1個字節，i占4個字節，c2占1個字節，所以計算機在讀取時候，會先讀取c1和i的3個字節（共四個字節）、再讀取i的最後一個字節和c2。因此計算器不但需要進行兩次內存讀取，並且還需要對i的數據進行拼接，無形中浪費瞭運行的時間。所以為瞭減少時間的浪費，就采用瞭內存對齊的方式。
（2）結構體對齊規則
- 第一個成員在與結構體變量偏移量為0的地址處。（即結構體的首地址處，即對齊到0處）
- 其他成員變量要對齊到某個數字（對齊數）的整數倍的地址處。
- 結構體的總大小為最大對齊數（每個成員變量都有一個對齊數）的整數倍。
- 如果嵌套瞭結構體，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍。
其中對齊數=編譯器默認的一個對齊數與該成員大小的較小值。vs中默認為8。Linux中默認值為4。
（3）結構體對齊演示
以下面的構體為例
struct S
{
double d;
char c;
int i;
};
第一步：把結構體中每個成員變量的大小與編譯器的默認對齊數進行比較，取小的作為該成員的對齊數
第二步：從0位開始，畫出這些成員的位置，註意對齊到自己的對齊數
故為16個字節
（4）練習
//練習1
struct S1{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", printf(struct S1);//12
//練習2
struct S2 {
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
//練習3
struct S3 {
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16
//練習4-結構體嵌套問題
struct S4 {
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32
二：位段
（1）什麼是位段
“節省空間”這四個字可以直截瞭當的點名位段的作用。
在結構體設計中，我們一般用int來存年齡這樣的數據，但是年齡這個東西再大也不會達到幾百幾千，也就是它的范圍一般是1-100，反應在整形數據的內存上，使用的可能就是32個比特位中的個別幾個，也就說剩餘的很多比特位就是根本不會用到的，而如果明知道這樣，還要不管三七二十一直接拋出一個整形，四個字節，32個比特位存儲這麼小的數，未免顯的有點浪費瞭。所以正式鑒於此，位段就能合理的進行內存設計
（2）位段怎麼寫
位段的基本格式如下，和結構體十分相似，其內部的數據類型一般要求是一致的
（3）位段結構體對齊怎麼算
上述這個結構體所占空間大小為八個字節，在實際分配時，會一上來先分配四個字節，其中a，b，c占據2+5+10共17個比特位，剩餘d需要30個比特位存儲但是不夠，所以再分配四個字節，拿出其中30個比特位存儲。可以看出相比之前暴力的直接16個字節，現在的8個字節大大的節省瞭空間。
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4個字節，c和d占據八個字節，index對齊對齊1個字節，最終就是16
位段的跨平臺問題
- int 位段被當成有符號數還是無符號數是不確定的。
- 位段中最大位的數目不能確定。（16位機器最大16，32位機器最大32，寫成27，在16位機
- 器會出問題。
- 位段中的成員在內存中從左向右分配，還是從右向左分配標準尚未定義。
- 當一個結構包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納於第一個位段剩餘的位時，是舍棄剩餘的位還是利用，這是不確定的。
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