自定义类型结构体(中)

news2024/12/24 20:13:31

结构体内存对齐

对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：
1.结构体的第一个成员对齐到相对结构体变量起始位置偏移量为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变量大小的较小值
VS中默认的值为8
Linux中没有默认对齐数，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的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

例子一

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

在这里插入图片描述

我们可以看到两个结构体内部的变量类型都是相同的,唯一区别就是内部的顺序不同,按理说内存大小都是相等才对,可是我们发现结果一个是12一个是8,其实这就是因为对齐规则所导致的

为了理解对齐规则具体是怎么回事我们需要用到一个宏为offsetof(可以直接用),这是计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
offsetof的用法如下
在这里插入图片描述
offsetof的头文件为stddef.h

我们可以看到输出的结果为0 4 8

说明第一个成员的偏移量为0(相对于起始位置为0),第二个成员的偏移量为4(相对于起始位置为4),第三个成员的偏移量为8(相对于起始位置为8)

由于当中int为成员变量的最大值,但与VS最大的对齐数相比int要小一点,所以最后的结果是int(4)的倍数,所以会浪费一下内存空间

在这里插入图片描述
我们再来看另外一个

因为c1为灰色方块偏移量是0,c2为深红色方块偏移量是1,i为红色方框偏移量为4

由于成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处,且对齐数=编译器默认的⼀个对齐数与该成员变量大小的较小值

因此c2的大小为1,所以对齐数就是1,所以i的对齐数就是4,因为中间有一些内存i并没有用到,所以那些内存(也就是绿色)被浪费了

最后因为结构体总大小为最大对齐数的整数倍,也就是i的大小4,因此8正好就是4的倍数

练习3

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

在这里插入图片描述

同样的double d的大小为8刚好和VS默认对齐数相同,所以对齐数是8,所以灰色方块就是d

char c的大小为1,1比8小,所以对齐数为1,红色方块就是c

int i的大小是4,4比8小,所以对齐数就是4,12是4的倍数,所以就从12开始,红色方块的就是i

绿色的就是浪费的内存

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));

在这里插入图片描述

这道题重点就在于struct S3,我们回顾前面所写的

嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大的对齐数的整数倍处,这里自己的成员其实就是struct S3的成员 double d(大小8), char c(大小1) ,int i(大小4),注意是自己的成员中最大的对齐数所以最大的对齐数就是double d(8)

为什么存在内存对齐

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

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。

假设⼀个处理器总是从内存中取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，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中

我们再来举一个例子

我们知道32位机器上读取的数据是一次32位,所以每次都是固定读取32位的
如果我们没有对齐数的话就如下图
在这里插入图片描述
我们需要读取i的数据,这样的话我们可能会读取两次,导致效率会比较慢

而如果我们采用对齐的方式来读取的话就如下图
在这里插入图片描述
虽然c 和 i之间可能会浪费一些内存,但我们在读取的时候就可以做到一次性读完i的数据,这样效率就比较高

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，应该如何做到

其实我们只需要让占用空间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 类型的成员一模一样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了一些区别
S2中两个char类型集中在一起就可能会把中间浪费的空间利用起来

修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数

#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()//取消设置的默认对⻬数，还原为默认
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}