C语言第三十一弹---自定义类型:结构体(下)

2024-02-26 13:52

本文主要是介绍C语言第三十一弹---自定义类型:结构体(下),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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目录

1、结构体内存对齐

1.1、为什么存在内存对齐?

1.2、修改默认对齐数

2、结构体传参

3、结构体实现位段

3.1、什么是位段

3.2、位段的内存分配

3.3、位段的跨平台问题

3.4、位段的应用

3.5、位段使用的注意事项

总结


上一弹我们讲解了结构体内存对齐的规则,那为什么我们需要内存对齐呢?

我们通过这一弹来进行讲解。

1、结构体内存对齐

1.1、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,如何做到:

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;};

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样,但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了⼀些区别。

很显然,根据上一弹讲解的内存对齐规则,S1所占的空间更大。

1.2、修改默认对齐数

#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)//设置默认对齐数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数,还原为默认
int main()
{//输出的结果是什么?printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

根据上一弹结构体内存对齐规则,可知该结构体的大小如上图,即6字节。

结构体在对齐方式不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。

2、结构体传参

struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些?

答案是:首选print2函数。

原因:

函数传参的时候,参数是需要压栈,会有时间和空间上的系统开销。

如果传递⼀个结构体对象的时候,结构体过大,参数压栈的的系统开销比较大,所以会导致性能的下降。

结论:

结构体传参的时候,要传结构体的地址。

3、结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。

3.1、什么是位段

位段,C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度,这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

位段的声明和结构是类似的,有两个不同:

1. 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。

2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

比如:

struct A
{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};

A就是⼀个位段类型。

那里面的冒号和数字又表示什么呢?

首先我们要明白位段中的这个“位”字其实指的是二进制位。
我们知道一个二进制位就是1个比特位。
所以,A中int _a:2; 其实表示的就是_a的大小是2bit;
同理:
_b的大小是5bit
_c的大小是10bit
_d的大小是30bit

知道各自占用的内存空间之后,是不是将内存空间相加就是该结构体的真实内存大小呢?

2+5+10+30=47bit  因为一字节等于8bit,47bit接近6字节,是不是结构体空间就是6字节?我们通过VS测试来揭晓一下答案。

printf("%d\n", sizeof(struct A));

此处uu们肯定疑惑,刚刚算出来还不到6字节,为什么答案就是8字节呢?接下来我们来进行深入讲解。

3.2、位段的内存分配

从上面的讲解我们知道:

1. 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int 或者是 char 等类型

那位段所需的空间是如何分配的呢?

2. 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。

此句话该怎么理解呢?

就是说,如果位段的成员全部是整型的(位段成员一般都是同类型的),那上去就先给这个位段开辟4个字节的空间,如果不够用,放不下所有的成员,那就再开辟4个字节的空间,还不够用,继续开辟,以此类推。如果成员全部是char类型的,那就一次开辟1个字节的空间,直至放得下所有成员。

注意:

3. 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。

我们知道这些位段的规则之后,那么上面的struct A的内存大小是如何计算出来的呢?

根据上述规则可知,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,此处为int类型字段,因此需要先开辟4字节空间,但是此处是小端存储还是大端存储呢?我们前面讲解的VS中整数在内存中的存储可知,VS采用小端存储,那么此处我们也采用小端存储来计算大小,先占用2bit空间,如上图绿色方框再占用5bit空间,如上图橙色方框,再占用10bit空间,但是此处第一个字节只剩1bit空间了,空间不够,需要占用新的空间,如上图蓝色方框,但是,最后占用30bit,同理空间不够需要占用新的空间,先占用8bit,但是此处已经没有空间了,所以需要再创建4字节空间,然后按照上图存放在内存空间中,如上图紫色方框。因此该结构体内存大小为8字节。

我们虽然根据上面的规则和VS整数在内存中存储得出上面结果,但是就一定是这样?下面我们再用一个例子证明一下。

//一个例子
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;//空间是如何开辟的?return 0;
}

根据上述结构体字段的规则,此处内存的占用如上图。

此时还是证明不了内存中真实如何存储,此时我们可以赋值一些值进行验证。

现在通过调试看看结构体s在内存中是如何存储的。

根据VS编译器的调试可知,结构体位段在VS中是按照小端进行存储的,但是不是所有编译器都是这样,因此用到其他编译器时需要自行证明。

3.3、位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

3.4、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。

3.5、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。

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;
}

总结


本篇博客就结束啦,谢谢大家的观看,如果公主少年们有好的建议可以留言喔,谢谢大家啦!

这篇关于C语言第三十一弹---自定义类型:结构体(下)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/749091

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