C++字节对齐与位域

环境：

　　win7_x64旗舰版、VS2015企业版

一、字节对齐：

　　说明：为了提高 CPU 的存储速度，编译器会对 struct 和 union的存储进行优化，即进行字节对齐。

　　1. 指定对齐参数值：通过#pragma pack(push, n)设置。

　　2. 自身对齐参数值：每个内部类型自身也都有一个对齐参数，一般来说这个对齐参数就是 sizeof(type) 的值，也就是char的自身对齐参数是1，short是2，int是4，float也是4，double是8等。

　　3. 有效对齐参数值：内部类型的有效对齐是指它的自身对齐参数和指定对齐参数中较小的那个值；

　　4. 结构体整体的有效对齐参数值：是指它的成员中，有效对齐参数最大的那个值。

例如：

///< 假设按4字节对齐
#pragma pack(push, 4)
struct data {
　　char a;　　   //a的有效对齐参数值是min（1,4）为1字节，从第1字节开始，占1字节
　　char b;      //b的有效对齐参数值是min（1,4）为1字节，从第2字节开始，占1字节
　　long long c; //d的有效对齐参数值是min（8,4）为4字节，从第5个字节开始，占8字节
　　short d;     //e的有效对齐参数值是min（2,4）为2字节，从第13个字节开始，占2字节
};

　　它们的和为1字节（a）+1字节（b）+2字节（填充）+8字节（c）+2字节（d）=14字节。

　　因为整体结构体还需要进行对齐，结构成员最大有效对齐参数值为4，所以整个结构为4的整数倍，最后的总大小为4 * 4 = 16字节。

 

二、位域：

　　说明：C/C++中以一定区域内的位(bit)为单位来表示的数据成为位域，位域必须指明具体的数目，位域的作用主要是节省内存资源，使数据结构更紧凑。

　　1. 取地址操作符&不能应用在位域字段上;

　　2. 位域字段不能是类的静态成员;

　　3. 位域字段在内存中的位置是按照从低位向高位的顺序放置的;

　　4. 位域的对齐

　　　　a. 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

　　　　b. 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

　　　　c.如果相邻的两个位域字段的类型不同，则各个编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式，采用第一节说的字节对齐方式进行。

　　　　d. 整个结构体的总大小采用字节对齐方式的第4点。

　　　　e. 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩，采用第一节说的字节对齐方式进行。

　　　　f. 无名的位域不能使用，只能用于填充，位宽为0表示强制下一位域对齐到当前类型的边界。

例如：

///< 假设按4字节对齐
#pragma pack(push, 4)
struct data {
    short a : 7;       //从第1个字节开始，占1字节，使用7位
    short b : 5;       //从第2个字节开始，占1字节，使用5位
    long long e : 4;   //与上个类型不一致，e的有效对齐参数值是min（8,4）为4字节，所以从第5个字节开始，占8字节，使用4位
    char f : 5;        //与上个类型不一致，f的有效对齐参数值是min（1,4）为1字节，所以从第13个字节开始，占1字节，使用1位
};

　　它们的和为1字节（a）+1字节（b）+2字节（填充）+8字节（e）+1字节（f）=13字节。

　　因为整体结构体还需要进行对齐，结构成员最大有效对齐参数值为4，所以整个结构为4的整数倍，最后的总大小为4 * 4 = 16字节。

 

///< 假设按4字节对齐
#pragma pack(push, 4)
struct bits8 {
    short a : 3; //从第1个字节开始，占1字节，使用3位
    short : 0;　　//占位，占21位，强制下一类型对齐到边界
    char : 3;　　 //占位，从第3个字节开始，占3位
    char b : 5;　 //从第3字节第4位开始，使用5位 
    int i : 4;    //从第5个字节开始，占4字节，使用4位
};

　　它们的和为2字节（a）+1字节（b）+1字节（填充）+4字节（i）=8字节。

　　因为整体结构体还需要进行对齐，结构成员最大有效对齐参数值为4，所以整个结构为4的整数倍，满足条件，最后的总大小为8字节。

 

参考：
　　https://www.cnblogs.com/pure/archive/2013/04/22/3034818.html
　　https://jocent.me/2017/07/24/bit-field-detail.html