公司页面网站设计模板,如何拥有自己的网站,建设铝合金窗网站,徐州网站开发市场文章目录 1、前言2、结构体变量的创建和初始3、结构体的特殊声明3、结构体的自引用5、结构体的内存对齐5.1 对齐规则5.2 为什么存在内存对齐?5.3 修改对齐数 6、结构体实现位段6.1 什么是位段6.2 位段的内存分配6.3 位段的跨平台问题6.4 位段的应用6.5 位段使用的注意事项 7、… 文章目录 1、前言2、结构体变量的创建和初始3、结构体的特殊声明3、结构体的自引用5、结构体的内存对齐5.1 对齐规则5.2 为什么存在内存对齐?5.3 修改对齐数 6、结构体实现位段6.1 什么是位段6.2 位段的内存分配6.3 位段的跨平台问题6.4 位段的应用6.5 位段使用的注意事项 7、小结 1、前言
在笔者大前篇中记录了有关结构i的一些基本知识主要是有关结构体类型名、变量名、成员名以及typedef的运用链接: link有兴趣的朋友可以看看
简单复习下
struct tag//类型名
{char m;//成员名1int i;//成员吗2
}p;//变量名typedef struct tag//类型名
{char m;//成员名1int i;//成员名2
}p;//类型名因为typedef的存在接下来我打算跟大家粗略地介绍一下结构体变量的创建和初始、结构体的特殊声明和结构体的自引用重点介绍下结构体的内存对齐以及位段的概念和使用。 2、结构体变量的创建和初始
结构体变量的创建一般就两种方法按照顺序和不按照顺序的
#include stdio.h
struct Stu {char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
};
int main() {
//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s { 张三, 20, 男, 20230818001 };printf(name: %s\n, s.name);printf(age : %d\n, s.age);printf(sex : %s\n, s.sex);printf(id : %s\n, s.id);
//按照指定的顺序初始化struct Stu s2 { .age 18, .name lisi, .id 20230818002, .sex ⼥printf(name: %s\n, s2.name);printf(age : %d\n, s2.age);printf(sex : %s\n, s2.sex);printf(id : %s\n, s2.id);return 0;}3、结构体的特殊声明
在声明结构的时候可以不完全的声明。
// 匿名结构体类型
struct {int a;char b;float c;
} x;struct {int a;char b;float c;
} a[20], *p;上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)
那么问题来了 //在上⾯代码的基础上下⾯的代码合法吗 p x; 警告 编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型所以是非法的。 匿名的结构体类型如果没有对结构体类型重命名的话基本上只能使用一次。 3、结构体的自引用
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢? 比如定义一个链表的节点:
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};上述代码正确吗?如果正确那 sizeof(struct Node) 是多少? 仔细分析其实是不行的因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量这样结构体变量的大小就会无穷的大是不合理的。
正确的⾃引⽤⽅式
struct Node {int data;struct Node* next;
};在结构体自引用使用的过程中夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名也容易引入问题看看下面的代码可行吗?
typedef struct {int data;Node* next;
} Node;答案是不行的因为Node是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的但是在匿名结构体内部提前用Node类型来创建成员变量这是不行的。
解决方法如下定义结构体不要使⽤匿名结构体了
typedef struct Node {int data;struct Node* next;
} Node;5、结构体的内存对齐
5.1 对齐规则 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。 VS 中默认的值为 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所有对齐数中最大的)的整数倍。 4.如果嵌套了结构体的情况嵌套的结构体成员对齐到自己的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。 接下来放几段代码让大家的理解更深刻下
//练习1
struct S1 {char c1;int i;char c2;
};
printf(%d\n, sizeof(struct S1));根据上面介绍的几段规则如果不了解结构体对齐规则的话可能会产生左边这种储存认知认为char类型1个字节int类型4个字节然后再char类型1个字节最后6个字节但是这样是错误的
我们观察右边的正确储存方式
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的地址处所以开始位置储存char类型1个字节因为对齐规则其他成员变量要对齐到某个数字(对齐数)的整数倍的地址处所以int类型4个字节不能直接存储而是要空出3个字节的大小对齐到4个字节的位置处才能存储char类型1个字节它本身就对齐了因为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所有对齐数中最大的)的整数倍。所以当前时9个字节需要补充道4个字节的整数倍也就是12个字节所以最后输出的结构体大小也是12个字节 我们再来看一个略有不同的结构体情况
//练习2
struct S2 {char c1;char c2;int i;
};
printf(%d\n, sizeof(struct S2));而根据刚刚提到的几条规则我们可以得出的结果是8个字节原因就在于前两个字符类型都是一个字节没有空余出来需要对齐的空间直到整形类型的出现需要空出两个字节来对齐4个字节所以最后得到的结果是8 接下来我们再来深刻地理解下总结构体大小的情况
//练习3
struct S3
{double d;char c;int i;char a;
};
int main()
{printf(%d\n, sizeof(struct S3));return 0;
}我们会发现因为最后一个char的存在导致这个结构体的大小最后会直接空闲出7个字节最终是24个字节 如果没有左边最后一个字节的话就能够像右边一样最终是16个字节
由此可见如果结构体内部顺序如果没有调整妥当就会产生这种浪费大量内存的情况 我们再来看看结构体嵌套情况的大小
//练习4
struct S3
{double d;char c;int i;char a;
};
struct S4
{char c1;struct S3 s3;int d;
};
int main()
{printf(%d\n, sizeof(struct S4));return 0;
}
我们发现如果不算s3嵌套结构体的内置对齐数外界的对齐数其实就是4个字节但是根据上面提到的最后一点规则如果嵌套了结构体的情况嵌套的结构体成员对齐到自己的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。
我们需要让外面的int和char类型也对齐8个字节的对齐数那么最后产生的结果就是40个字节这里实在是太长了影响阅读体验但是画法和理解方法都跟之前一样就不画出来了 5.2 为什么存在内存对齐? 大部分的参考资料都是这样说的: 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的;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类型的数据的地址都对齐成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字节内存块中。
总体来说:结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候我们既要满足对齐又要节省空间那么最好的方法就是让占用空间小的成员尽量集中在一起
//例如
struct S1 {char c1;int i;char c2;
};
struct S2 {char c1;char c2;int i;
};这样一来下面的结构体就比上面的结构体小了4个字节但是储存的内容一样 5.3 修改对齐数 #pragma 这个预处理指令可以改变编译器的默认对齐数。 #include stdio.h
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S1 {char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数还原为默认
struct S2 {char c1;int i;char c2;
};
int main() {//输出的结果是什么printf(%d\n%d, sizeof(struct S2), sizeof(struct S2));return 0;
}我们观察一下上述代码再S1结构体创建过程中最带对齐数是1后面又恢复默认了也就是8但是因此两个成员类型完全一样的结构体他们的大小却不一样前者为6后者为12
具体情况就如下图前面没有对齐数所以他们各个成员是紧挨着的S2就不一样了,因为对齐规则的存在空了好多内存
但这样提示了我们 - 结构体在对⻬⽅式不合适的时候我们可以⾃⼰更改默认对⻬数 6、结构体实现位段
6.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的有两个不同: 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。 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。 //位段式的结构
struct A {int _a: 2;int _b: 5;int _c: 10;int _d: 30;
};比如上面这一段代码就用到了位段而它的大小是其实只有8个字节。
具体分析往下看 6.2 位段的内存分配
位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型位段的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。位段涉及很多不确定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。
由于上一串代码是int类型一次需要横着开辟32个bit位所以我们以char类型的结构体为例
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;
}开始分析
由于char类型的一次是开辟一个字节也就是8个bit位所以它这里的一处大小是8个bit位由于C语言没有确认位段存储是从右向左还是从左向右得根据使用者的编译器而定这里笔者使用的是VS2022存储方式是从右向左等等可以从内存中判断a开辟的位段是3个bit位所以这里红色的部分只有3个bit位所以也只能把二进制中的最低3位给带入b位段的空间是4个bit位当前字节仍有5个bit位所以直接连续地放在a的旁边笔者的VS2022在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的。接下来c位段空间是5个bit位当前字节剩余空间大小不够所以另开一个bit位存放cd位段空间是4个bit位上一个字节的空间只有3个bit位不够所以在开辟一个用来存放d
这样一来就得到下面这一条内存 又因为存储时是以16进制存储所以上述内存只每4个bit位要转换成16进制来存储也就导致了下图这种存储情况我们也可以调试出编译器中的内存储存情况 编译器中内存的显示情况也印证了笔者的VS2022位段存储是从右向左的 6.3 位段的跨平台问题
int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。位段中最大位的数目不能确定。(16位机器最大1632位机器最大32写成27在16位机器会出问题。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。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这是不确定的。
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。 6.4 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。 6.5 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。内存中每个字节分配一个地址一个字节内部的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赋值给位段的成员。
例如下面这样
struct A {int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};
int main() {struct A sa {0};scanf(%d, sa._b);//这是错误的
//正确的⽰范int b 0;scanf(%d, b);sa._b b;return 0;
}7、小结
结构体变量的创建是比较简单的但是他是在写代码过程中适逢重要的一环不容忽视。而内存对齐和位段的使用都是两种极端的存储方式前者是牺牲空间博得时间后者是牺牲时间博得空间两者都有使用的情况需要加以辨别和理解。
