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一、结构体内存对齐
🍉在了解了结构体类型的声明及变量创建之后，我们还需要学习关于结构体的大小(字节)及结构体在内存中是如何存储的。
1.对齐规则
我们先来看两个结构体类型：
struct Stu1
{
char a;
int b;
char c;
}s1;
struct Stu2
{
int a;
char b;
int c;
short d;
}s2;
我们可能会想，对于s1所占的内存大小应该是1+4+1=6；s2所占内存大小(字节)应该是4+1+4+2=11。而通过计算机计算出它们所占内存的大小却不是如此：
#include <stdio.h>
struct Stu1
{
char a;
int b;
char c;
}s1;
struct Stu2
{
int a;
char b;
int c;
short d;
}s2;
int main()
{
printf("%zd\n",sizeof(s1));
printf("%zd\n",sizeof(s2));
return 0;
}
程序运行的结果：
我们要先掌握结构体的内存对齐规则，之后我们才能学会计算结构体类型的大小：
● 1.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。
● 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(两者中的较小值)
🔗VS编译器的默认对齐数为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，取所有对齐数中最大的)的整数倍。
● 4.如果结构体中有嵌套结构体的情况，则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。
了解了结构体的内存对齐规则，我们再来看上面的两个结构体变量s1和s2。
(1)首先看结构体变量s1：
struct Stu1
{
char a;
int b;
char c;
}s1;
假设编译器在内存中为结构体变量s1开辟了如下一块内存空间：
1.假设结构体变量s1在内存中存储的起始位置，就是上图中上虚线处的第一个字节。则该结构体类型的第一个成员a要对齐到偏移量为0的地址处，就是第一个字节处了(即从第一个字节开始存放)。这里要理解偏移量是啥意思？偏移量就是相对于起始位置的偏移数量。因为该结构体的第一个成员是char类型的变量，只占一个字节，所以就存储在起始位置的第一个字节处(起始位置的第一个字节相对于起始位置本身的偏移量就是0啦)。
2.剩下的其他成员要对齐到某个数字的整数倍的地址处，这个某个数字就是对齐数，我使用的编译器是VS，默认对齐数是8，该结构体的第二个成员是int类型(占4个字节)的变量b，则对齐数就是取两者之间的较小值，就是4了。则整型变量b的存储位置要从4的整数倍数的地址处开始存放，那就从偏移量为4的字节处开始存放，共占4个字节。该结构体的第三个成员c是char类型的变量，占一个字节，VS编译器的默认对齐数是8，取两者之间的较小值就是1，那么只要是大于1的整数都是1的整数倍，所以变量c就紧接着存放在变量b的后面。
3.最后我们计算这个结构体变量的总大小，总大小(字节)要为最大对齐数的整数倍，这个最大对齐数是所有成员当中最大的那个对齐数。则这三个成员中最大的对齐数是4(第一个成员的对齐数是1，因为相较于VS编译器的默认对齐数是8)，最后一个成员c是存储到了偏移量为8的位置，即现在的大小为9，而9不是4的倍数，所以还要往下再浪费3个字节，到12就是4的倍数了，所以结构体变量s1的总大小就为12(单位字节)。
(2)再看结构体变量s2：
struct Stu2
{
int a;
char b;
int c;
short d;
}s2;
也是假设编译器在内存中为结构体变量s2开辟了如下一块空间：
1.首先结构体的第一个成员a对齐到偏移量为0的地址处，第一个成员为int类型的变量，所以从起始位置的第一个字节开始往后占4个字节。
2.剩下的其他成员要对齐到各自对齐数的整数倍处，该结构体的第二个成员是char类型的变量b，占一个字节，VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则对齐数是1，大于1的整数都是1的整数倍，所以直接就排在偏移量为4的位置。第三个成员为int类型的变量c，对比VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则第三个成员的对齐数是4，从偏移量为8的位置开始往后存储4个字节。还有最后一个成员，为short类型(占两个字节)的变量d，对比VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则最后一个成员的默认对齐数是2，刚好12就为2的整数倍，则从偏移量为12的位置往后占据2个字节。
3.最后计算该结构体变量的总大小，总大小要为所有成员中最大对齐数的整数倍。
结构体中嵌套结构体的情况
如果一个结构体中嵌套了一个结构体，那要怎么计算这个结构体的大小呢？
#include <stdio.h>
struct Stu1
{
char a;
int b;
char c;
}s1;
struct Stu2
{
char d;
struct Stu1 s1;
double e;
}s2;
int main()
{
printf("%zd\n",sizeof(s2));
return 0;
}
程序运行结果：
1.首先该结构体的第一个成员 char d 对齐到偏移量为0的地址处，则起始位置的第一个字节被变量d占掉。
2.该结构体变量的第二个成员是一个结构体，而这个结构体变量的大小在上面我们已经计算过了，大小为12个字节，根据结构体内存对齐规则的第四条：🍐如果结构体中有嵌套结构体的情况，则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。🍐这里嵌套的结构体变量s1的成员中最大对齐数是4，则从4的倍数处开始存放变量s1。由上图偏移量为4的位置正好是4的倍数，所以从偏移量为4的位置开始往后占12个字节。还剩下最后一个成员，该成员是double类型的变量e，由VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的最小值，所以对齐数就为8。所以变量e从8的倍数处开始存放，由上图可知，偏移量为16的位置正好是8的倍数，则从偏移量为16的位置处开始往后的8个字节存储变量e。
3.最后计算该结构体变量的总大小，由于该结构体中嵌套了一个结构体，所以按照内存对齐规则：🍑结构体的整体大小就是所有成员中最大对齐数(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。🍑嵌套的结构体也是按照内存对齐规则，先找出嵌套结构体中所有成员各自的对齐数，再找出其中的最大对齐数。最后再来看该结构体的总大小，整体大小就是所有成员中最大对齐数的整数倍，这里的最大对齐数，就包含了刚刚找出的嵌套结构体中的最大对齐数。
🍯🍯🍯如果在计算结构体变量大小时，怕混淆偏移量和实际内存字节数，我们可以直接记住，结构体的第一个成员永远是从偏移量为0的位置处开始存放，其他剩下的成员，要对齐到自己对齐数的整数倍处，直接看偏移量就可以了，如果偏移量是自己对齐数的整数倍，那就从该位置处开始存放。最后计算整个结构体大小时，要看的是实际的字节个数，如果实际字节个数是最大对齐数的整数倍，那这个实际字节数就是结构体类型的总大小(单位字节)。
🥔🥔🥔还有一点就是，如果结构体中有成员是数组的情况。其实非常简单，因为数组在内存中是连续存放的，在找到对齐数后，按数组的大小从对齐数的整数倍处开始存放。对于数组成员的对齐数，就看数组元素类型的大小与编译器默认对齐数之间的较小值即可。举一个例子就可以理解了：
#include<stdio.h>
struct S
{
int arr[2];
char c;
short s;
char ch[5];
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s));
return 0;
}
这个结构体变量的大小计算得：
最后计算这个结构体变量的总大小，总大小要为最大对齐数的整数倍，这四个成员中的最大对齐数为4，而最后一个成员ch存储的最后一个字节是在偏移量为16的位置，现在的大小为17个字节，但17并不是4的倍数，所以还要再浪费3个字节，到20就是4的倍数了，所以这个结构体变量的总大小就为20。
二、为什么要进行内存对齐？
🥑🥑🥑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;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
🍆🍆🍆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字节的内存块中。
总体来说：结构体的内存对齐就是拿空间来换取时间的做法。若有如下一个结构体：
struct S
{
char a;
int b;
};
如果是按照内存对齐的情况，则该结构体总共占8个字节。如果如内存不对齐的情况，那就紧接着往下排就行了，该结构体就占5个字节。
🍒🍒那结构体如何做到既满足对齐，又节省空间呢？答案是：让占用空间小的成员尽量集中在一起。
#include <stdio.h>
struct Stu1
{
char a;
int b;
char c;
};
struct Stu2
{
char a;
char b;
int c;
};
int main()
{
printf("%zd\n",sizeof(struct Stu1));
printf("%zd\n", sizeof(struct Stu2));
return 0;
}
程序运行结果：
1.修改默认对齐数
在上面我们讲到了对于编译器有自己的默认对齐数，那这个对齐数可不可以修改呢？答案是可以的。修改默认对齐数要用到一个预处理指令#pragma pack( ) 。而括号中是我们想要的对齐数，这个对齐数最好是2的次方数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//修改编译器默认对齐数为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()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
程序运行结果：
三、结构体传参
结构体传参就是将结构体作为参数传递给函数，那对于函数传参有两种形式，一种是传值，还有一种就是传址。
#include<stdio.h>
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)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
printf("%d ", s.data[i]);
}
printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
printf("%d ", ps->data[i]);
}
printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
print1(s);//传结构体
print2(&s); //传地址
return 0;
}
程序运行结果：
🍎🍎🍎原因:
1.函数传参的时候，参数是需要压栈的，会有时间和空间上的系统开销。
2.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。
可能有同学会说，如果采用传地址的这种函数传参形式，那要是结构体中的数据不小心被修改了怎么办？我们并不想修改结构体中的数据。那怎么办呢？其实我们可以在函数传参的时候，在前面加上const修饰即可(void print2(const struct S* ps)，这样通过指针访问结构体就不会修改到结构体中的数据了。
🥒🥒🥒结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。
四、结构体实现位段
上面我们讲完了结构体在内存中的存储形式，紧接着我们还要讲一个知识点，那就是结构体实现位段的能力。
1.什么是位段？
🍏🍏位段又称为位域是以位(bit)为单位来定义结构体(或联合体)中的成员变量所占的空间。C语言中没有专门的位段类型，位段的定义要借助于结构体，即以二进制位为单位来定义结构体成员所占存储空间。从而就可以按照"位"来访问结构体中的成员。[引用]🍏🍏
位段的声明和结构体是类似的，但是有两个不同：
🥥1.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
🥥2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字
例如：
struct S
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
S就是一个位段类型。那位段S所占内存的大小是多少?我们通过sizeof(struct S)计算得这个位段类型的大小为如下结果：
2.位段的内存分配
学习了位段的意义了，现在要知道上面位段类型的大小是如何计算出来的，就要先知道位段类型的存储规则：
🍅1.位段的成员可以是int、unsigned int、signed int或者是char等类型。
🍅2.位段在空间上是按照需要以4个字节(int)或者1个字节(char)的方式来开辟的。
🍅3.位段涉及很多不确定的因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。
第一条规则意思就是：一般位段类型里面放的都是整形家族或者是字符类型家族的成员。对于第二条规则，意思是：比如说位段类型里面放的都是整型类型(4字节)的成员，那么编译器就先为第一个成员开辟4个字节的空间，根据冒号后面限定的二进制位数进行数据存储，当存储到空间不够用了，再继续申请空间。不怎么能够理解这里的意思，没事。通过下面的例子来讲解：
#include<stdio.h>
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;
return 0;
}
那么上面这个位段类型的大小要怎么计算呢？假设编译器为该结构体S申请如下一块空间：
那是不是3个字节呢？通过sizeof(struct S)计算得到的结果如下：
首先我们看结构体变量s的第一个成员_a被赋值为了10，而10的二进制序列为1010，但是🥜第一个成员已经被限制只能存储3个bit的数据，那这里的1010就要发生截断，只能存储010这三个bit位的数据。🥜同样的第二个成员被赋值为了12，12的二进制序列为1100，而第二个成员能存储4个bit位的数据，所以不用发生截断，刚好能存储完这4位。第三个成员被赋值为了3，3的二进制序列为0011，第三个成员所占位数为5，那这里的0011还不够5位，不够的高位就用0来补位即可。最后一个成员被赋值为了4，4转化为二进制数就为0100，最后一个成员只能存储4位，这里也是刚好够4位。如下图所示：
3.位段的跨平台问题
🌽1.int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
🌽2.位段中最大位的数目不能确定。(16位机器最大为16，32位机器最大为32，如果写成27，在16位机器下会出问题)
🌽3.位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。
🌽4.当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用剩余的位，这是不确定的。
int类型的成员，在跨平台时会被当成有符号数还是无符号数是不确定的。早期是有16位机器的，在16位机器平台下，整型只占2个字节，如果结构体成员冒号后面写一个大于16的数字，比如27。那一次申请的2个字节空间就存不下这么大的数据，那机器就会报错。剩下的第三第四条，上面我们都遇到过。总的来说，位段并不适用于跨平台，位段有他存在的优势，也有他的不足，我们应该根据不同的平台来写不同的代码。
总结:
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。
4.位段的应用
下图是🍈网络协议🍈中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。
5.位段使用的注意事项
🧀🧀🧀位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中是每个字节分配一个地址，而一个字节内部的bit位是没有地址的。所以不能对位段的成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在一个变量中，然后将这个变量赋值给位段的成员。如下所示：
#include<stdio.h>
struct S
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
scanf("%d", &s._b);//这是错误的
//正确的⽰范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
s._b = b;
return 0;
}
