C语言结构体详解(二)(能看懂文字就能明白系列)文章很长,慢慢品尝

news/2024/11/23 3:34:59/

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系列文章目录

第一章
结构体的介绍和基本使用

🌟 个人主页:古德猫宁-

🌈 信念如阳光,照亮前行的每一步

文章目录

  • 系列文章目录
    • 🌈 *信念如阳光,照亮前行的每一步*
  • 前言
    • 前面一篇文章主要介绍了结构体的基础内容和使用,这篇接着讲述结构体的主要内容,例如计算结构体的大小,结构体的内存对齐规则,为什么存储结构体内存对齐,结构体如何传参
  • 一、对齐规则
  • 二、为什么存在内存对齐?
    • 1.平台原因(移植原因):
    • 2.性能原因:
  • 三、如何修改默认对齐数
  • 四、结构体传参
  • 结构体实现位段
    • 1、什么是位段
    • 2、位段的内存分配
    • 3、位段的跨平台问题
  • 总结


前言

前面一篇文章主要介绍了结构体的基础内容和使用,这篇接着讲述结构体的主要内容,例如计算结构体的大小,结构体的内存对齐规则,为什么存储结构体内存对齐,结构体如何传参

一、对齐规则

结构体对齐规则主要有以下几点:

  1. 结构体的第一个成员对齐和结构体变量起始位置偏移量为0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变量大小的较小值 注意:VS默认的值为8 Linux中gcc没有默认对齐数,对齐数就是成员自身的大小

  3. 结构体总大小为最大对齐数(结构体中每个成员变量都有一个对齐数,所有对齐数中最大的)的整数倍。

  4. 如果嵌套了结构体的情况,嵌套的结构体成员对齐到自己成员中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(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。

这么说可能有点抽象,我们举个例子并画个图来解释一下
例1:

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S1));return 0;
}


例2:

struct S2
{char c1;//c1是一个字节,VS默认对齐数为8,根据对齐规则,取较小值,所以对齐数为1char c2;//同上,对齐数为1int i;//对齐数为4
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S2));//原本的大小为1+4+1=6,//但最终要取成员中最大对齐数(4)整数倍的数,所以最终结果为8return 0;
}

运行结果图
例3:(嵌套结构体)

struct S3
{double d;char c;int i;
};//大小为16
struct S4
{char c1;//对齐数为1struct S3 s3;//对齐数为16double d;//对齐数为8
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S4));//如果嵌套了结构体的情况,嵌套的结构体成员对齐到自己成员中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(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。return 0;
}

在这里插入图片描述
所以最终的结果为32

二、为什么存在内存对齐?

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;而对齐的内存只需要一次访问。假设一个处理器总是从内存取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。

三、如何修改默认对齐数

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数,还原为默认
int main()
{//自己算算以下结果是什么趴printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候,我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

四、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;
}

注意

  • 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,参数压栈的系统开销比较大,所以会导致性能的下降。(结构体就像一个“超级数组”,也需要开辟空间,且开辟的空间有时比较大,所以用指针访问结构图是最优的选择)

结构体实现位段

1、什么是位段

  • 位段的声明和结构是类似的,有两个不同: 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 。

  • 位段的成员名后边有一个冒号和数字。

  • 位段的出现就是为了节省空间。

  • 位段是基于结构的。

例如:

struct A
{
int a : 2;//2指a占2个比特位
int b : 5;//5指b占5个比特位
int c : 10;//10指c占10个比特位
int d:30;
};

那么段位A所占的内存大小是多少?
在这里插入图片描述

这里明明是2+5+10+30=47个比特位,但结果为什么是8个字节,64个比特位呢?

这是由于对齐规则,编译器通常会对结构体进行填充,以确保结构体的每个成员都位于适当对齐的内存位置上。这个对齐过程可能导致结构体的实际大小大于成员位数之和。

编译器可能在结构体的最后添加了一些填充位,使得结构体的大小成为8字节的倍数。这是为了提高结构体的访问速度,因为访问未对齐的内存可能会导致性能下降。

所以说位段虽然节省了空间,但这种节省程度并非是绝对的。

2、位段的内存分配

1. 位段的成员可以是int、unsigned int、signed int或者是char等类型。
2. 位段的空间上是按照需要以四个字节(int)或者一个字节(char)的方式来开辟的。

举个例子:(这里我们先假设内存是从右向左使用的,且如果剩余的空间不够下一个成员使用,就浪费)

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;printf("%d", sizeof(struct S));
}

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

结果如图所示,这也说明了在VS中,我们上面的假设是成立的。

3、位段的跨平台问题

位段涉及很多不确定因素,位段是不跨平台的,注意可移植性的程序应该避免使用位段。
原因如下:

1、比如在内存中开辟了一块32位的空间,存入的数据是从左边开始存还是从右边开始存储的,C语言没有明确规定
在这里插入图片描述
2、在这里插入图片描述
这个问题C语言又没明确规定,所以也是取决于编译器如何实现的
3、位段中最大数的数目不能确定。(16位机器最大16,32位机器最大32,写成27,在16位机器会出现问题。)

4、int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

总的来说,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。

总结

以上就是今天要讲的内容,本文主要是对结构体进一步的认识,本文的内容是比较热门的考点,需要把本文的内容掌握的比较牢固。


http://www.ppmy.cn/news/1255136.html

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