结构体（或者联合体）变量的成员在内存里是如何分布的

1.概述

结构体变量的成员在内存里是如何分布的、成员先后顺序是怎样的、成员之间是连续的还是分散的、还是其他的什么形式？这些问题既和软件相关又和硬件相关。所谓软件相关主要是指和具体的编程语言的编译器的特性相关，编译器为了优化CPU访问内存的效率，在生成结构体成员的起始地址时遵循着某种特定的规则，这就是所谓的 结构体成员“对齐”；所谓硬件相关主要是指CPU的“字节序”问题，也就是大于一个字节类型的数据如int类型、short类型等，在内存中的存放顺序，即单个字节与高低地址的对应关系。

2.分布规则

（1）为了提高CPU访问内存的效率，程序语言的编译器在做变量的存储分配时进行了优化处理，处理的原则是：对于n字节的元素，它的首地址能被n整除，这种原则称为“对齐”。

（2）结构体（联合体）的成员所占内存地址依次增高，第一个成员位于低地址处，最后一个成员位于高地址处，但是结构体成员的内存并不是连续的，编译器会对成员做上述“对齐”处理。

（3）通常编译器可以设置一个对齐参数n，结构体中每个成员实际对齐参数N根据N=min(sizeof(成员类型)，n)来得到。结构体成员的内存偏移地址x，满足条件x%N=0。

（4）结构体所有成员的对齐参数N的最大值称为结构体的对齐参数。整个结构的长度必须是结构体对齐参数的最小整数倍，不够补0。

简单来说：

1）结构体的起始地址为x，x%sizeof(结构体)=0。

2）结构体每个成员相对于起始地址偏移地址y，y%N=0。

3）结构体长度等于结构体对齐参数的最小整数倍。

注：编译器对齐参数可以通过指令控制，例如#param pack(2)两字节对齐。vs2010IDE还可以通过"项目属性"->"C/C++"->"代码生成"->“结构成员对齐”来设置。编译器默认对齐参数为8个字节。

例：

struct A
{
    char      c;   //1byte
    double    d;   //8byte
    short     s;   //2byte
    int       i;   //4byte
};
int main(int argc, char*argv[])
{
    A strua;
    printf("len:%d\n",sizeof(A));
    printf("%d,%d,%d,%d",&strua.c,&strua.d,&strua.s,&strua.i);
    return 0;
}

输出结果为：
len：24
1506156,1506164,1506172,1506176

3.特殊成员

（1）结构体成员为数组时，是将数组的每个元素当一个成员来分配，并不是将整个数组当成一个成员来对待。其他成员的分配规则按照上述规则。

（2）当结构体成员是位段时，存储是按其类型分配空间的，如int型的位段就分配4个字节的存储单元。相邻的同类型的两个位段，如果该类型的长度够用，就将两位段连续存放，共用存储单元，如果不够用，就另起一个该类型长度的存储空间。相邻的不同类型的两个位段，分别为这两个位段分配它们所属类型长度的存储空间。其他成员的分配规则按照上述规则。

1）例1：

struct bit  
{  
    int a:3;
    int b:2;
    int c:3;
};
int main(int argc,char* argv[])    
{    
    bit s;    
    char *c = (char*)&s;    
    *c = 0x99;    
    cout<<s.a<<endl<<s.b<<endl<<s.c<<endl;  
    return 0;    
}

输出结果：  1   -1   -4  

分析：

hex    0x99

bin    100  11   001

            c      b       a

地址   高   -->     低

cpu为小端模式，高位比特存储在高地址中，低位比特存储在低地址中。而且计算机中存储的是数的补码形式。

2）例2：

struct   bit  
{  
    char   a:5;
    char   b:4;
    char   c:7;
};
int main(int argc,char* argv[])    
{    
    bit s;    
    int *c = (int*)&s;    
    *c = 0x99E00000;    
    cout<<sizeof(bit)<<endl<<(int)s.a<<endl<<(int)s.b<<endl<<(int)s.c<<endl;  
    return   0;    
}

输出结果：3 0 0 -32

hex    0x99          0xE0         0x00           0x00

bin   10011001  11100000  00000000  00000000

 

                                  c                   b                a

 

地址      高                    -->                       低