一文轻松理解内存对齐（2）

有效对齐值为2字节

例子

请写出以下代码的输出结果：

#include<stdio.h>
struct S1
{
    int i:8;    
    char j:4;  
    int a:4;  
    double b;
};
struct S2
{
    int i:8;    
    char j:4;  
    double b;
    int a:4;  
};
struct S3
{
    int i;    
    char j;  
    double b;
    int a;     
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(S1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(S1);  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 输出8
    return 0;
}      

分析问题

在存储某些数据时，其实际需求的数据长度可能要小于一个字节，只占一位或几位。为了节省空间，处理方便，在C中引入了另一种结构，称为“位域”或“位段”。

所谓“位域”，就是把一个字节中的“位”按照实际的需求分成不同的区域，表明每个区域位数、区域的域名，并允许程序按照域名进行操作。如此就可以把不同的对象用一个字节来表示。

位域的定义与结构定义相仿，其形式为：

struct 位域的结构体名

{

  //位域列表

}

位域列表的形式为：【类型说明符】 【位域名】：【位域的长度】例如：

struct ab
{
   int a:8;
   int b:2;
   int c:6;
}      

对于位域的定义，有以下几点说明：

（1）一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

例如：

struct wy
{
   unsigned a:6;
   unsigned 0;     //空域
   unsigned b:4;   //从一单元开始存放
   unsigned c:4;   
}      

在这个位域定义中，a占第一字节的6位，后2位填0表示不使用，b从第二字节开始，占用4位，c占用4位。内存结构如下图所示。

存储结构图

（2）由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度，也就是不能超过8位二进位。

（3）位域可以无位域名，这时它只用来填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。

struct wk
{
   int a:1;
   int :2;     //不能使用
   int b:3;  
   int c:2;   
}      

从以上述分析可以看出，位域可以看做是一种结构类型，其特点是成员均按二进位分配。

根据以上分析可知，在s1中i在相对0的位置，占8位即第1个字节。j就在相对第2个字节的位置。由于一个位置的字节数是4位的倍数，因此不用对齐，可以就放在那里。a要放在4位倍数关系的位置上，因此不用对齐，就放在那里。

目前总共是16位，2字节，由于double是8字节的，因此要在距相对0位置为8个字节的位置处放下。所以从16位开始到8个字节之间的位置被忽略，直接放在相对第8字节的位置，因此，s1总共占16字节。存储结构如下图所示。

S1存储结构

在s2中，每个数据都要对照结构体内最大数据的最小公倍数补齐。如i，j共12位，小于double的8个字节需按8字节补齐，a位也要按8字节补齐，共24个字节，存储结构如下图所示。

s2的存储结构

在s3中，i是int型数据（按32位机分析）占4个字节，j是char型数据占一个字节，a是int型数据占4个字节，b是double型数据占8个字节。 在此b是最大的数据类型，因此i、j、a都要向b的double型对齐，即i、j、a的数据长度要向b对齐为8个字节，四个数据共占据32个字节。s3的存储结构如下图所示。

s3的存储结构

答案

sizeof(S1)=16

sizeof(S2)=24

sizeof(S3)=32

说明：结构体作为一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型的变量，也可以是一些复合型类型数据。对此，编译器会自动进行成员变量的对齐以提高运算效率。默认情况下，按自然对齐条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同，向结构体成员中size最大的成员对齐。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k（通常它为4或8）的倍数，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数。