揭秘C语言结构体：通往内存对齐的视觉之旅

news2024/12/26 22:34:51

揭秘C语言结构体：通往内存对齐的视觉之旅

引言

在C语言的编程旅程中，结构体（structs）是一个关键而强大的概念。结构体不仅允许我们组织和存储不同类型的数据，而且通过深入了解内存对齐，我们可以更好地优化程序性能。在这篇博客文章中，我们将全面研究C语言结构体，包括定义、变量创建、初始化，以及内存对齐等方面。通过丰富的图示和深入的代码解读，我们将带你深入探索这一重要的数据结构。

1. 结构体类型的定义

首先，我们需要了解如何定义一个结构体类型。结构体类型是用户自定义的数据类型，通过struct关键字实现。下面是一个简单的例子：

struct Stu 
{
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

Stu结构体包含了姓名、年龄和身高三个成员。

2. 结构体变量的创建与初始化

结构体类型定义后，我们可以创建相应的结构体变量，并进行初始化。以下是一个例子：

#include <stdio.h>
struct Stu
{
 char name[20];//名字
 int age;//年龄
 char sex[5];//性别
 char id[20];//学号
};
int main()
{
 //按照结构体成员的顺序初始化
 struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
 printf("name: %s\n", s.name);
 printf("age : %d\n", s.age);
 printf("sex : %s\n", s.sex);
 printf("id : %s\n", s.id);
 
 //按照指定的顺序初始化
 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥
 printf("name: %s\n", s2.name);
 printf("age : %d\n", s2.age);
 printf("sex : %s\n", s2.sex);
 printf("id : %s\n", s2.id);
 return 0;
}

3.内存对齐：程序性能的守护者

内存对齐对于提高程序性能至关重要。它确保结构体中的每个成员从其大小的倍数地址开始存储，以最小化内存访问时间。

3.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

结构体的第⼀个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
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⻬数与该成员变量大小的较小值。
（VS 中默认的值为 8）
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整数倍。
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬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。

3.2练习

typedef struct {
	int a;
	char b;
	short c;
	short d;
}AA_t;

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(AA_t));
	return 0;
}

在这里插入图片描述

#include <stdio.h>
union Un
{
	short s[7];
	int n;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(union Un));
  return 0;
}

在这里插入图片描述

4.实际案例：取消内存对齐

#include <stdio.h>

struct PackedData {
    char a;
    int b;
    char c;
} __attribute__((packed));

int main() {
    struct PackedData packedStruct;
    printf("PackedData的大小：%zu 字节\n", sizeof(packedStruct));
    return 0;
}