c/c++ 字节对齐

c 字节对齐

概念：

结构体里会包括各种类型的成员，比如int char long等等，它们要占用的空间不同，系统为一个结构体开辟内存空间时，会有2种选择。

第一种：节省空间的方案，以上面的列子来说的话，就是4(int) + 1(char) + 8(long) =13个字节；
第二种：浪费空间的方案，以上面的列子来说的话，就是4(int) + 4(char) + 8(long) =16个字节；

其实，系统是用的第二种方案。

字节对齐的目的：

为了CPU只寻找地址一次，就能够把目标内存中的数据取出来。

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，如果是用第一种节省空间的方案，为了要取一个int或者long的成员的值，CPU寻址一次，可能只取出来一部分，所以需要再次寻址，这样就导致CPU的效率降低。为了提高CPU的效率，所以选择牺牲空间，但是节省了时间。

经验总结

声明结构体成员的时候，一定把占用空间最小的类型放在最前面，占用空间最大的放在最后面，这样就会节省内存空间。

程序验证

#include <stdio.h>

typedef struct A{
  char a;
  char b;
  char c;
}A;
//#pragma pack(4) //如果把注释打开就是强制按4字节对齐，所以就是16
typedef struct B{//24
  int a;//占用4字节 + 4 //往下看，下面的8字节，所以补4个字节
  long b;//占用8字节
  char c;//占用1字节+ 7 // 4+4+8+1=9,但9不是8的倍数，所以在最后的char c处加7个字节
}B;
typedef struct C{//16
  char a;//1 + 3
  int b;//4
  long c;//8
}C;
struct D{//32
  int a;//4 + 4 //往下看，下面的8字节，所以补4个字节
  struct S1{//16
    long b;//8
    char c;//1 + 1 //往下看，下面的2字节，所以补1个字节
    short d;//2 + 4 //8+2+2=12但不是8的倍数，所以在最后的short d处加4个字节
  } aa;
  int e;//4 + 4 //8+16+4=28但不是8的倍数，所以在最后的int e处加4个字节
}D;
struct E{//40
  int a;//4 + 4
  struct S2{//24
    short d;//2 + 6 //往下看，下面的8字节，所以补6个字节
    long b;//8
    char c;//1 + 7 //8+8+1=17但不是8的倍数，所以在最后的char c处加7个字节
  } aa;
  int e;//4 + 4 ////8+24+4=36但不是8的倍数，所以在最后的int e处加4个字节
}E;
struct F{//72
  int a;//4 + 4
  struct {//56
    short d[20];//40 //不管数组里多少个元素，只看数组的类型
    long b;//8
    char c;//1 + 7
  } ;
  int e;//4 + 4
}F;

int main(){
  printf("A size = %ld\n",sizeof(A));
  printf("B size = %ld\n",sizeof(B));
  printf("C size = %ld\n",sizeof(C));
  printf("D size = %ld\n",sizeof(D));
  printf("E size = %ld\n",sizeof(E));
  printf("F size = %ld\n",sizeof(F));
  B B1;
  B1.a = 10;
  B1.b = 12;
  B1.c = 'A';
}

运行结果：

A size = 3
B size = 24
C size = 16
D size = 32
E size = 40
F size = 72

位域

变量可以按比特位进行定义,比如定义只占用1个比特位的char c:1;

只占用10个比特位的int i:10;

**定义的比特位不可以超过类型自身所占用的字节数 **

int i:33;//编译不过，因为int占用4个字节，32个比特位，所以最多定义到int i:32;

#include <stdio.h>

struct A{//char占用1个字节8个比特位，a b c各占用1个比特位，总共3个比特位，小于8个比特位，所以这个结构体占用1个字节
  char a:1;
  char b:1;
  char c:1;
}A;
struct B{//char占用1个字节8个比特位，a b c总共占用8个比特位，正好是1个字节，所以这个结构体占用1个字节
  char a:2;
  char b:2;
  char c:4;
}B;
struct B1{//char占用1个字节8个比特位，a b c总共占用9个比特位，超过1个字节，所以这个结构体占用2个字节
  char a:2;
  char b:2;
  char c:5;
}B1;
struct C{//int占用4个字节32个比特位，a b总共占用32个比特位，正好4个字节，所以这个结构体占用4个字节
  int a:31;
  char b:1;
}C;
struct C1{//int占用4个字节32个比特位，a b总共占用33个比特位，超过4个字节，所以这个结构体占用8个字节，因为在char b处需要补3个字节
  int a:31;
  char b:2;
}C1;
struct C2{//即使结构体C2看起来只占用3个比特位，但是成员a是int类型，所以这个结构体占用4个字节
  int a:1;
  char b:2;
}C2;

int main(){
  printf("A:%ld\n", sizeof(A));
  printf("B:%ld\n", sizeof(B));
  printf("B1:%ld\n", sizeof(B1));
  printf("C:%ld\n", sizeof(C));

  //结构体C里的成员a占用32个比特位的后31个比特位；成员b占用第1个比特位
  struct C sc;
  sc.a =10;
  sc.b = 1;
}
GDB的调试结果：
40	  sc.a =10;
(gdb) p &sc//打印出sc.a的地址
$1 = (struct C *) 0x7fffffffdecc
(gdb) x/tw 0x7fffffffdecc//用二进制方式，产看内存地址里的值
0x7fffffffdecc:	00000000000000000000000000000000
(gdb) n
41	  sc.b = 1;
(gdb) x/tw 0x7fffffffdecc//发现10被放到内存中了，1010就是十进制的10
0x7fffffffdecc:	00000000000000000000000000001010
(gdb) n
42	}
(gdb) x/tw 0x7fffffffdecc//发现1被放到内存的第一个比特位上了
0x7fffffffdecc:	10000000000000000000000000001010