1 结构体内存对齐

1. 首成员对齐规则
   • 结构体的第一个成员从偏移量为0的地址处开始存放，即与结构体的首地址对齐。
2. 其他成员对齐规则
   • 其他成员变量的存放地址必须对齐到其对齐数的整数倍；
   • 对齐数的定义为：该成员变量自身大小与编译器默认对齐数的较小值：
     • 在Visual Studio中，默认对齐数为8；
     • 如果编译器没有默认对齐数，则成员变量的大小即为它的对齐数，如GCC。
3. 结构体总大小
   • 结构体的总大小必须是其所有成员中最大对齐数的整数倍。如果不足，编译器会在末尾填充字节以满足对齐要求。
4. 嵌套结构体的对齐规则
   • 如果结构体中嵌套了结构体，则嵌套的结构体需要对齐到其自身最大对齐数的整数倍处；
   • 结构体总大小必须是其所有成员（含嵌套结构体成员）中最大对齐数的整数倍。

另外：

1. 计算成员偏移量
   • offsetof宏可以用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量。
2. 修改默认对齐数
   • #pragma pack(n)可以将默认对齐数设置为n；
   • #pragma pack()可以取消默认对齐数设置，恢复到最初的默认值。

2 位段式结构体

2.1 格式

位段式结构体的定义与普通结构体类似，但在成员声明时需要指定所占的位数。格式如下：

struct 结构体名 {
    类型 成员名 : 位数;
    // 其他成员...
};

2.2 成员类型

位段的成员类型必须是整数类型，如下图所示：

分类	类型	说明
基本型	int	有符号整型，通常是32位
基本型	unsigned int	无符号整型，通常是32位
基本型	char	有符号字符型，8位
基本型	unsigned char	无符号字符型，8位
基本型	_Bool	布尔型，C99引入，通常为1位
扩展型	short	有符号短整型，通常是16位
扩展型	unsigned short	无符号短整型，通常是16位
扩展型	long	有符号长整型，通常是32位或64位
扩展型	unsigned long	无符号长整型，通常是32位或64位
扩展型	long long	有符号长长整型，通常是64位
扩展型	unsigned long long	无符号长长整型，通常是64位
扩展型	enum	枚举类型，底层通常是int

2.3 空间开辟

位段的空间开辟规则可以归纳为以下几点：

1. 新空间的开辟要满足基本的结构体内存对齐规则（参考“1 结构体内存对齐”）；
2. 新空间的开辟要基于成员类型（如char类型1字节、short类型2字节、int类型4字节）；
3. 类型相同的位段可以共享空间，类型不同的位段不能共享空间；
4. 如果当前开辟空间的剩余位数不足以容纳下一个位段，则重新开辟一个空间。

2.4 示例

2.4.1 示例1

类型相同的位段共享空间，示例代码如下所示：

typedef struct {
   unsigned int a : 10; // 10位
   unsigned int b : 8;  // 8位
   unsigned int c : 4;  // 4位
} bitField1;

int main()
{
   //
   printf("Size of bitField1 : %zu bytes.\n", sizeof(bitField1));
   //
   return 0;
}

运行结果如下图所示：

代码及运行结果分析如下：

1. 开辟4字节空间，成员a占10个比特位，还剩下22个比特位；
2. 成员b和成员a类型相同，可与a共享已开辟的空间，占用剩余22个比特位中的8个比特位，还剩下14个比特位；
3. 成员c和成员a、b类型相同，可与a、b共享已开辟的空间，占用剩余14个比特位中的4个比特位，还剩下10个比特位。

2.4.2 示例2

类型不同的位段共享空间，示例代码如下所示：

typedef struct {
   unsigned int a : 20;   // 20位，类型为 unsigned int
   unsigned short b : 10; // 10位，类型为 unsigned short
} bitField2;

int main()
{
   //
   printf("Size of bitField2 : %zu bytes.\n", sizeof(bitField2));
   //
   return 0;
}

运行结果如下图所示：

代码及运行结果分析如下：

1. 从偏移量0处开辟4字节空间，成员a占20个比特位，还剩下12个比特位；
2. 注意：尽管当前已开辟的空间的剩余比特位（12个）足以容纳成员b（10个比特位），但是，因为成员b与成员a类型不同，不可共享已开辟的空间，需要重新开辟空间；从偏移量4处开辟2字节空间，成员b占10个比特位，还剩下6个比特位;
3. 另外，结构体总大小必须是其所有成员中最大对齐数的整数倍。