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这篇文章主要介绍了C语言重难点之内存对齐和位段的示例分析,具有一定借鉴价值,感兴趣的朋友可以参考下,希望大家阅读完这篇文章之后大有收获,下面让小编带着大家一起了解一下。
C语言是一门面向过程的、抽象化的通用程序设计语言,广泛应用于底层开发,使用C语言可以以简易的方式编译、处理低级存储器。
(1)为什么要存在内存对齐
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;某些平台只能在某些地址处取得某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。
比如,当一个平台要取一个整型数据时只能在地址为4的倍数的位置取得,那么这时就需要内存对齐,否则无法访问到该整型数据。
性能原因:
数据结构(尤其是栈)应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需一次。
核心思想就是:以空间换取时间
举个例子:对于有32根地址总线的计算机来说,每次读取的单位是4个字节,假入定义了如下结构体:
struct s1 { char c1; int i; char c2; }
由于c1占1个字节,i占4个字节,c2占1个字节,所以计算机在读取时候,会先读取c1和i的3个字节(共四个字节)、再读取i的最后一个字节和c2。因此计算器不但需要进行两次内存读取,并且还需要对i的数据进行拼接,无形中浪费了运行的时间。所以为了减少时间的浪费,就采用了内存对齐的方式。
(2)结构体对齐规则
第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。(即结构体的首地址处,即对齐到0处)
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。
结构体的总大小为最大对齐数(每个成员变量都有一个对齐数)的整数倍。
如果嵌套了结构体,嵌套的结构体对齐到自己的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(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。
其中对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。vs中默认为8。Linux中默认值为4。
(3)结构体对齐演示
以下面的构体为例
struct S { double d; char c; int i; };
第一步:把结构体中每个成员变量的大小与编译器的默认对齐数进行比较,取小的作为该成员的对齐数
第二步:从0位开始,画出这些成员的位置,注意对齐到自己的对齐数
故为16个字节
(4)练习
//练习1 struct S1{ char c1; int i; char c2; }; printf("%d\n", printf(struct S1);//12 //练习2 struct S2 { char c1; char c2; int i; }; printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8 //练习3 struct S3 { double d; char c; int i; }; printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16 //练习4-结构体嵌套问题 struct S4 { char c1; struct S3 s3; double d; }; printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32
(1)什么是位段
“节省空间”这四个字可以直截了当的点名位段的作用。
在结构体设计中,我们一般用int
来存年龄这样的数据,但是年龄这个东西再大也不会达到几百几千,也就是它的范围一般是1-100,反应在整形数据的内存上,使用的可能就是32个比特位中的个别几个,也就说剩余的很多比特位就是根本不会用到的,而如果明知道这样,还要不管三七二十一直接抛出一个整形,四个字节,32个比特位存储这么小的数,未免显的有点浪费了。所以正式鉴于此,位段就能合理的进行内存设计
(2)位段怎么写
位段的基本格式如下,和结构体十分相似,其内部的数据类型一般要求是一致的
(3)位段结构体对齐怎么算
上述这个结构体所占空间大小为八个字节,在实际分配时,会一上来先分配四个字节,其中a,b,c占据2+5+10共17个比特位,剩余d需要30个比特位存储但是不够,所以再分配四个字节,拿出其中30个比特位存储。可以看出相比之前暴力的直接16个字节,现在的8个字节大大的节省了空间。
再比如下面位段
struct A { unsigned a : 19; unsigned b : 11; unsigned c : 4; unsigned d : 29; char index; };
其中a和b共占据4个字节,c和d占据八个字节,index对齐对齐1个字节,最终就是16
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16,32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。
感谢你能够认真阅读完这篇文章,希望小编分享的“C语言重难点之内存对齐和位段的示例分析”这篇文章对大家有帮助,同时也希望大家多多支持亿速云,关注亿速云行业资讯频道,更多相关知识等着你来学习!
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