C语言结构体的大小及在内存中的存储形式

一、结构体内存对齐

🍉在了解了结构体类型的声明及变量创建之后，我们还需要学习关于结构体的大小(字节)及结构体在内存中是如何存储的。

1.对齐规则

我们先来看两个结构体类型：

struct Stu1
{
	char a;
	int b;
	char c;
}s1;
struct Stu2
{
	int a;
	char b;
	int c;
	short d;
}s2;

我们可能会想，对于s1所占的内存大小应该是1+4+1=6；s2所占内存大小(字节)应该是4+1+4+2=11。而通过计算机计算出它们所占内存的大小却不是如此：

#include <stdio.h>
struct Stu1
{
	char a;
	int b;
	char c;
}s1;
struct Stu2
{
	int a;
	char b;
	int c;
	short d;
}s2;
int main()
{
	printf("%zd\n",sizeof(s1));
	printf("%zd\n",sizeof(s2));
	return 0;
}

程序运行的结果：
这里计算出变量s1所占内存的大小为12(单位字节)，变量s2所占内存大小为16；为什么是这样呢？这个内存大小到底是怎么计算出来的呢？这就引出了我们即将要讲的知识点：🍋内存对齐🍋。

我们要先掌握结构体的内存对齐规则，之后我们才能学会计算结构体类型的大小：
● 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(两者中的较小值)
🔗VS编译器的默认对齐数为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，取所有对齐数中最大的)的整数倍。
● 4.如果结构体中有嵌套结构体的情况，则嵌套的结构体成员对齐到自己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。

了解了结构体的内存对齐规则，我们再来看上面的两个结构体变量s1和s2。
(1)首先看结构体变量s1：

struct Stu1
{
	char a;
	int b;
	char c;
}s1;

假设编译器在内存中为结构体变量s1开辟了如下一块内存空间：
根据结构体的内存对齐规则：

1.假设结构体变量s1在内存中存储的起始位置，就是上图中上虚线处的第一个字节。则该结构体类型的第一个成员a要对齐到偏移量为0的地址处，就是第一个字节处了(即从第一个字节开始存放)。这里要理解偏移量是啥意思？偏移量就是相对于起始位置的偏移数量。因为该结构体的第一个成员是char类型的变量，只占一个字节，所以就存储在起始位置的第一个字节处(起始位置的第一个字节相对于起始位置本身的偏移量就是0啦)。

2.剩下的其他成员要对齐到某个数字的整数倍的地址处，这个某个数字就是对齐数，我使用的编译器是VS，默认对齐数是8，该结构体的第二个成员是int类型(占4个字节)的变量b，则对齐数就是取两者之间的较小值，就是4了。则整型变量b的存储位置要从4的整数倍数的地址处开始存放，那就从偏移量为4的字节处开始存放，共占4个字节。该结构体的第三个成员c是char类型的变量，占一个字节，VS编译器的默认对齐数是8，取两者之间的较小值就是1，那么只要是大于1的整数都是1的整数倍，所以变量c就紧接着存放在变量b的后面。

3.最后我们计算这个结构体变量的总大小，总大小(字节)要为最大对齐数的整数倍，这个最大对齐数是所有成员当中最大的那个对齐数。则这三个成员中最大的对齐数是4(第一个成员的对齐数是1，因为相较于VS编译器的默认对齐数是8)，最后一个成员c是存储到了偏移量为8的位置，即现在的大小为9，而9不是4的倍数，所以还要往下再浪费3个字节，到12就是4的倍数了，所以结构体变量s1的总大小就为12(单位字节)。

(2)再看结构体变量s2：

struct Stu2
{
	int a;
	char b;
	int c;
	short d;
}s2;

也是假设编译器在内存中为结构体变量s2开辟了如下一块空间：
🥝根据结构体的内存对齐规则：

1.首先结构体的第一个成员a对齐到偏移量为0的地址处，第一个成员为int类型的变量，所以从起始位置的第一个字节开始往后占4个字节。

2.剩下的其他成员要对齐到各自对齐数的整数倍处，该结构体的第二个成员是char类型的变量b，占一个字节，VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则对齐数是1，大于1的整数都是1的整数倍，所以直接就排在偏移量为4的位置。第三个成员为int类型的变量c，对比VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则第三个成员的对齐数是4，从偏移量为8的位置开始往后存储4个字节。还有最后一个成员，为short类型(占两个字节)的变量d，对比VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的较小值，则最后一个成员的默认对齐数是2，刚好12就为2的整数倍，则从偏移量为12的位置往后占据2个字节。

3.最后计算该结构体变量的总大小，总大小要为所有成员中最大对齐数的整数倍。
由上图可知，所有成员中的最大对齐数为4。而存储的最后一个成员的最后一个字节是在偏移量为13的位置，则现在的大小为14个字节，但14并不是4的倍数，所以还要浪费2个字节，到16个字节就为4的倍数了，所以该结构体变量s2的总大小就为16(单位字节)。

结构体中嵌套结构体的情况

如果一个结构体中嵌套了一个结构体，那要怎么计算这个结构体的大小呢？

#include <stdio.h>
struct Stu1
{
	char a;
	int b;
	char c;
}s1;
struct Stu2
{
	char d;
	struct Stu1 s1;
	double e;
}s2;
int main()
{
	printf("%zd\n",sizeof(s2));
	return 0;
}

程序运行结果：
还是假设编译器在内存中为结构体变量s2申请了如下一块内存空间：
根据结构体的内存对齐规则：

1.首先该结构体的第一个成员 char d 对齐到偏移量为0的地址处，则起始位置的第一个字节被变量d占掉。

2.该结构体变量的第二个成员是一个结构体，而这个结构体变量的大小在上面我们已经计算过了，大小为12个字节，根据结构体内存对齐规则的第四条：🍐如果结构体中有嵌套结构体的情况，则嵌套的结构体成员对齐到自己成员中最大对齐数的整数倍处。🍐这里嵌套的结构体变量s1的成员中最大对齐数是4，则从4的倍数处开始存放变量s1。由上图偏移量为4的位置正好是4的倍数，所以从偏移量为4的位置开始往后占12个字节。还剩下最后一个成员，该成员是double类型的变量e，由VS编译器的默认对齐数是8，取两者中的最小值，所以对齐数就为8。所以变量e从8的倍数处开始存放，由上图可知，偏移量为16的位置正好是8的倍数，则从偏移量为16的位置处开始往后的8个字节存储变量e。

3.最后计算该结构体变量的总大小，由于该结构体中嵌套了一个结构体，所以按照内存对齐规则：🍑结构体的整体大小就是所有成员中最大对齐数(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。🍑嵌套的结构体也是按照内存对齐规则，先找出嵌套结构体中所有成员各自的对齐数，再找出其中的最大对齐数。最后再来看该结构体的总大小，整体大小就是所有成员中最大对齐数的整数倍，这里的最大对齐数，就包含了刚刚找出的嵌套结构体中的最大对齐数。
由上图可以看出，该结构体的最大对齐数就是8，则该结构体的大小就是8的整数倍。而该结构体的最后一个成员 double e 存储的最后一个字节是在偏移量为23的位置，即现在的大小就为24，而24刚好就为8的倍数，所以该结构体的总大小就为24(单位字节)。

🍯🍯🍯如果在计算结构体变量大小时，怕混淆偏移量和实际内存字节数，我们可以直接记住，结构体的第一个成员永远是从偏移量为0的位置处开始存放，其他剩下的成员，要对齐到自己对齐数的整数倍处，直接看偏移量就可以了，如果偏移量是自己对齐数的整数倍，那就从该位置处开始存放。最后计算整个结构体大小时，要看的是实际的字节个数，如果实际字节个数是最大对齐数的整数倍，那这个实际字节数就是结构体类型的总大小(单位字节)。
🥔🥔🥔还有一点就是，如果结构体中有成员是数组的情况。其实非常简单，因为数组在内存中是连续存放的，在找到对齐数后，按数组的大小从对齐数的整数倍处开始存放。对于数组成员的对齐数，就看数组元素类型的大小与编译器默认对齐数之间的较小值即可。举一个例子就可以理解了：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int arr[2];
	char c;
	short s;
	char ch[5];
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s));
	return 0;
}

这个结构体变量的大小计算得：
画出这个结构体变量的内存布局示意图：
首先该结构体类型的第一个成员是数组arr，这个数组的大小为2*sizeof(int)=8(单位字节)。这个数组的元素类型为int类型(4字节)，VS编译器的默认对齐数是8，则取两者之间的较小值4，则第一个成员的对齐数就为4。结构体的第一个成员永远从偏移量为0的位置处开始存放。注意：数组在内存中是连续存放的。由上图，数组arr一就开始占去了8个字节。第二个成员为char类型的变量c，该成员的对齐数是1。所以紧接着往后占据一个字节。第三个成员为short类型(2字节)的变量s，该成员的对齐数是2，而偏移量为9的位置并不是2的倍数，所以浪费两个字节，从偏移量为10的位置开始存放变量s，往后占据两个字节。最后一个成员是数组ch，该数组的大小为5*sizeof(char)=5，数组元素的类型为char(1字节)，所以该成员的对齐数是1，紧接着往后占据5个字节。

最后计算这个结构体变量的总大小，总大小要为最大对齐数的整数倍，这四个成员中的最大对齐数为4，而最后一个成员ch存储的最后一个字节是在偏移量为16的位置，现在的大小为17个字节，但17并不是4的倍数，所以还要再浪费3个字节，到20就是4的倍数了，所以这个结构体变量的总大小就为20。

二、为什么要进行内存对齐？

🥑🥑🥑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;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
🍆🍆🍆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字节的内存块中。
总体来说：结构体的内存对齐就是拿空间来换取时间的做法。若有如下一个结构体：

struct S
{
	char a;
	int b;
};

如果是按照内存对齐的情况，则该结构体总共占8个字节。如果如内存不对齐的情况，那就紧接着往下排就行了，该结构体就占5个字节。
由上图，如果机器是32位平台，则有32根数据总线，则一次就可以访问4个字节的数据，如果是内存对齐的情况下，第一次访问就读取到了变量a的数据，第二次访问就可以完全读取到变量b的数据。如果是内存不对齐的情况，一次读取4个字节的数据，那么变量a是读取到了，但是变量b只读取到了前3个字节，还有一个字节没有读取到，所以还要再读一次，才能完全读取到变量b中存储的数据。即在内存不对齐的情况下对于变量b要进行两次访问才能完全读取到其存储的数据。相比较于内存对齐的情况，内存不对齐的情况下访问数据可能会浪费时间。而内存对齐的情况下虽然浪费了空间，但是时间效率得到了提高。

🍒🍒那结构体如何做到既满足对齐，又节省空间呢？答案是：让占用空间小的成员尽量集中在一起。

#include <stdio.h>
struct Stu1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
struct Stu2
{
	char a;
	char b;
	int c;
};
int main()
{
	printf("%zd\n",sizeof(struct Stu1));
	printf("%zd\n", sizeof(struct Stu2));
	return 0;
}

程序运行结果：
可以看到上面的两个结构体，是有一样的成员，但是第二个结构体Stu2的大小就比第一个结构体Stu1的小。原因就是我们把占用空间小的成员集中在了一起，这样就节省了空间。

1.修改默认对齐数

在上面我们讲到了对于编译器有自己的默认对齐数，那这个对齐数可不可以修改呢？答案是可以的。修改默认对齐数要用到一个预处理指令#pragma pack( ) 。而括号中是我们想要的对齐数，这个对齐数最好是2的次方数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//修改编译器默认对齐数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

程序运行结果：
上面输出该结构体的大小为6，这种就跟没有默认对齐数的结果是一样的，因为修改了VS编译器的默认对齐数为1。则每个成员的对齐数就都为1，所有大于1的整数都是1的倍数，所以该结构体在内存中就是紧挨着存储的。注意：Linux编译器下，是没有默认对齐数的。对齐数就是成员自身的大小。所以记住不要在Linux编译器下使用这个预处理指令。🥖🥖🥖当结构体在对齐方式不合适的时候，我们就可以自己更改默认对齐数啦。

三、结构体传参

结构体传参就是将结构体作为参数传递给函数，那对于函数传参有两种形式，一种是传值，还有一种就是传址。

#include<stdio.h>
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)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", s.data[i]);
	}
	printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->data[i]);
	}
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s);//传结构体
    print2(&s); //传地址
	return 0;
}

程序运行结果：
上面两种形式的函数传参，打印的结果都是一样的。则哪一种传参更好呢？答案是第二种：传地址。
🍎🍎🍎原因:
1.函数传参的时候，参数是需要压栈的，会有时间和空间上的系统开销。
2.如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

可能有同学会说，如果采用传地址的这种函数传参形式，那要是结构体中的数据不小心被修改了怎么办？我们并不想修改结构体中的数据。那怎么办呢？其实我们可以在函数传参的时候，在前面加上const修饰即可(void print2(const struct S* ps)，这样通过指针访问结构体就不会修改到结构体中的数据了。
🥒🥒🥒结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

四、结构体实现位段

上面我们讲完了结构体在内存中的存储形式，紧接着我们还要讲一个知识点，那就是结构体实现位段的能力。

1.什么是位段？

🍏🍏位段又称为位域是以位(bit)为单位来定义结构体(或联合体)中的成员变量所占的空间。C语言中没有专门的位段类型，位段的定义要借助于结构体，即以二进制位为单位来定义结构体成员所占存储空间。从而就可以按照"位"来访问结构体中的成员。[引用]🍏🍏

位段的声明和结构体是类似的，但是有两个不同：
🥥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
例如：

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

S就是一个位段类型。那位段S所占内存的大小是多少?我们通过sizeof(struct S)计算得这个位段类型的大小为如下结果：
先解释一下结构体成员冒号后边的数字的含义：比如上面结构体的第一个成员_a冒号后边的2表示该变量只占2个bit位。虽然_a变量是一个整型(4字节)，但是冒号后边的2规定它只能存2个bit位的数据。剩下的成员_b、_c、_d冒号后面的数字也是相应的占5、10、30个bit位。为什么要出现位段呢？试想如果对于上面结构体中第一个成员_a的值如果是0、1、2或者3，他们的二进制数分别是00、01、10、11，那么只需要2个bit位就可以存储了，所以这里限制_a只占两个bit。如果在32位平台下，不用位段的形式来存储整型0、1、2、3，那就有30个bit位被浪费掉了。所以出现了位段的知识点。只要记住位段是专门用来节省内存的。

2.位段的内存分配

学习了位段的意义了，现在要知道上面位段类型的大小是如何计算出来的，就要先知道位段类型的存储规则：
🍅1.位段的成员可以是int、unsigned int、signed int或者是char等类型。
🍅2.位段在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。
🍅3.位段涉及很多不确定的因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。

第一条规则意思就是：一般位段类型里面放的都是整形家族或者是字符类型家族的成员。对于第二条规则，意思是：比如说位段类型里面放的都是整型类型(4字节)的成员，那么编译器就先为第一个成员开辟4个字节的空间，根据冒号后面限定的二进制位数进行数据存储，当存储到空间不够用了，再继续申请空间。不怎么能够理解这里的意思，没事。通过下面的例子来讲解：

#include<stdio.h>
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;
}

那么上面这个位段类型的大小要怎么计算呢？假设编译器为该结构体S申请如下一块空间：
首先该结构体类型的第一个成员是char类型(1个字节)的变量_a，那就先为该变量申请一个字节的空间，记住一个字节等于8个bit位。其次该变量冒号后边的数字是3，则只占三个bit位，如上图。为什么在这一个字节的空间里要从右往左存储呢？因为C语言没有规定位段是要从左往右存储还是从右往左存储，那就要看编译器了。我使用的编译器是VS，而VS是从右往左存储的，所以这里是从右往左存储。下一个成员冒号后边的数字是4，而一开始申请的一个字节空间只被第一个成员占去了3个bit位，还有5个bit位，足够存储第二个成员，所以紧接着又占去4个bit位。那这一个字节就只剩下一个bit位了，第三个成员冒号后面的数字是5，那第一次申请的空间就只剩下一个bit位了，不够第三个成员存储，所以再申请一个字节的空间，问题是第一个字节剩下的那个bit位要不要用来存储第三个成员的数据呢？答案是不用(直接浪费掉)。在VS编译器中，当申请的空间不够用来存储剩下的成员时，则剩下的成员就从新申请的空间里开始存储。所以第三个成员就从新申请的一个字节空间里存储，第三个成员要占5个bit位，则申请的一个字节空间就还剩下3个bit位。如上图。最后一个成员的冒号后边的数字是4，而刚刚的一个字节只剩下3个bit位，不够4个比特位，那就再申请一个字节用来存储最后一个成员。如上图，最后一个成员占去4个bit位，还剩下4个bit位。由上图，这个位段类型的大小应该是3个字节。

那是不是3个字节呢？通过sizeof(struct S)计算得到的结果如下：
由上图，确实是3个字节。上面我们对该结构体的各个成员进行了赋值，我们通过逐过程调试程序，在内存中查看结构体变量s中存储的值是多少：
通过&s我们看到了变量s中存储的数据如上图，有四列，但是只有三列有数据，因为这个位段类型我们刚刚计算过，大小就为3个字节，所以这里只有3列有效数据，但是这个数据是怎么存进去的呢？为什么是上面的数字。

首先我们看结构体变量s的第一个成员_a被赋值为了10，而10的二进制序列为1010，但是🥜第一个成员已经被限制只能存储3个bit的数据，那这里的1010就要发生截断，只能存储010这三个bit位的数据。🥜同样的第二个成员被赋值为了12，12的二进制序列为1100，而第二个成员能存储4个bit位的数据，所以不用发生截断，刚好能存储完这4位。第三个成员被赋值为了3，3的二进制序列为0011，第三个成员所占位数为5，那这里的0011还不够5位，不够的高位就用0来补位即可。最后一个成员被赋值为了4，4转化为二进制数就为0100，最后一个成员只能存储4位，这里也是刚好够4位。如下图所示：
这个位段类型是占3个字节，刚刚我们浪费掉的那些bit位用0来补位即可，所以在内存中看到的3列就是62 03 04。

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位机器最大为16，32位机器最大为32，如果写成27，在16位机器下会出问题)
🌽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剩余的位，这是不确定的。

int类型的成员，在跨平台时会被当成有符号数还是无符号数是不确定的。早期是有16位机器的，在16位机器平台下，整型只占2个字节，如果结构体成员冒号后面写一个大于16的数字，比如27。那一次申请的2个字节空间就存不下这么大的数据，那机器就会报错。剩下的第三第四条，上面我们都遇到过。总的来说，位段并不适用于跨平台，位段有他存在的优势，也有他的不足，我们应该根据不同的平台来写不同的代码。

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。

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。
就像寄邮件一样，比如你要寄一个本书，去邮局后要把书包装起来，在外包装上写上寄件人的信息，寄件人的地址，还有收件人的信息和地址。这样才能寄件。那在网络上传输信息也是一样的，比如你要和某人发信息，就要有源地址和目的地址，还有你要发送的数据信息。可以看到上面的IP数据报就合理的使用了位段，对数据进行了封装，极大的节省了空间，网络的畅通度就会好很多。

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。内存中是每个字节分配一个地址，而一个字节内部的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，然后将这个变量赋值给位段的成员。如下所示：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int _a:2;
	int _b:5;
	int _c:10;
	int _d:30;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	scanf("%d", &s._b);//这是错误的
    //正确的⽰范
    int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	s._b = b;
	return 0;
}