结构体内存对齐

为什么要进行内存对齐

1.为了cpu读取更快
使CPU的访问内存数据的速度加快，如果一个内存的数据是经过对齐的，那么CPU可以整块地将内存数据(为了提升效率，cpu读取内存数据都是按块读取的，块大小可以设置为已知数据类型的大小如1，2，4，8,16等)读到寄存器中。
2.方便移植
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，否则抛出硬件异常

结构体内存对齐的原理

1.偏移量
偏移量指的是结构体变量中成员的地址和结构体变量地址的差。结构体大小等于最后一个成员的偏移量加上最后一个成员的大小,比如下面这个结构体，默认按4个字节大小对齐

struct stu
{
    char a;
    int b;
    short c;
}；

这里a的地址就是结构体stu的的地址，所以a的偏移量为0，占1个字节，但默认对齐大小是4，所以还要填充3个字节到3，b的偏移地址就是4，整好不用填充，c的偏移量就是8，大小为2，因为是最后一个成员，后面就不用填充了，所以这个结构体的大小应该为12个字节
2.对齐原则
实际上，由于存储变量时地址对齐的要求，编译器在编译程序时会遵循两条原则：一、结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍（0被认为是任何数的整数倍） 二、结构体大小必须是所有成员大小的整数倍

举例说明

普通对齐

接着上一个例子，我们都知道默认系统默认是4，这个数字是可以更改的，但也不能随意更改，必须是有对应数据类型的字符大小，这里我们先修改为1，再修改为8，再修改为5，看下效果

#include<stdio.h>

#pragma pack(1) //括号里面的数字表示你设置的内存对齐大小
int main()
{
    typedef struct stu 
    {   
        char a;
        int  b;  
        short  c;  
    }A; 
    
    printf("%lu\n",sizeof(A));

    return 0;
}

运行以后我们发现结果是7，如果改为8，发现还是12，哎？不应该是18吗？这里注意一下:如果#pragma pack (n)中指定的n大于结构体中最大成员size，则其不起作用，结构体仍然按照size最大的成员进行对界。所以我们这个结构体最大成员size就是int类型，只有4，所以设置任何高于4的值都被当做4。然后我们这里再将值改为2，发现结构体大小为8，这就完美对应上了，如果设置为1或者3呢？这里我们试一下:

struct.c:3:9: warning: expected #pragma pack parameter to be '1', '2', '4', '8',
      or '16' [-Wignored-pragmas]
#pragma pack(3)

发现系统会给出一个警告提醒你，然后还是被当做4大小处理了，结果还是12。

位域对齐

为了最大限度的节约内存和提高cpu的读取速度，位域的使用被提上了日程，从上一个例子我们可以看到在对齐时作了填充增加了不少内存开销，为了降低这种开销，位域的使用显得很重要。
字面理解位域就是说某些数据元素并不需要占据一整个字节，只需要占据几位，例如数字8，就只需要占据一个字节的四位即可表示。所谓位域，就是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域，并说明每个区域的位数。
先说明一下位域对齐的原则：

1. 如果相邻位域类型相同，位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
2. 如果相邻位域类型相同，位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
3. 如果相邻位域类型不同，则vc6采取不压缩方式，dev-c++ 和GCC都采取压缩方式。依然满足结构体内存对齐三个原则中的原则1，在不压缩方式下，如果前一个位域类型有填充，后面的位域类型和前面的位域类型不相同，则填充的区域不能存放放后面的位域，需另开辟空间；而在压缩方式下，填充的区域如果可以放下后者位域，则存放，放不下的情况下再另开辟空间。
   4.一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨字节；
   5.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。
   struct
   {
   char a:2;
   int b:4;
   int c:4;
   }A;
   在不压缩条件下：char类型占据一个字节，而a占用其中两位；根据原则1，b的类型int占据四个字节，应该从4的整数倍处开始存放，所以char后应该填充三个字节，这三个字节虽然能够容纳b，但是必须另开空间，再开辟四个字节的空间存放int，而b占据四个字节，后面c的类型和b的类型相同，所以紧邻b存储，占据四个字节。所以在vc下，sizeof(A) = 8;
   压缩条件下：char类型占据一个字节，而a占用其中两位；根据原则1，b的类型int占据四个字节，应该从4的整数倍处开始存放，所以char后应该填充三个字节，这三个字节能够容纳b和c，因此不需要重新开辟空间，直接在这三个字节上存储，所以sizeof(A) = 4;

回到我们之前那个例子，我们将其附上位域大小

#include<stdio.h>

int main()
{
    typedef struct stu 
    {   
        char a:2;
        int  b:8;  
        short  c:2;  
    }A; 
    
    printf("%lu\n",sizeof(A));

    return 0;
}

运行以后结果为4，为4就是对的，我们来看一下，首先这是三个相邻域都不相同的，然后，看大小2比特+8比特+2比特小于sizeof(int),加上我编译程序用的GCC/G++，所以是压缩的，结果就是4。