C 语言结构体 struct 及内存对齐

struct 结构体

对于复杂的数据类型（例如学生、汽车等），C 语言允许我们将多种数据封装到一起，构成新类型。

跟面向对象语言中的对象相比，结构体只能包含成员变量，不支持操作。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct People
{
	int age;
	char name[100]; // 这里如果用指针，下面用 strcpy 赋值时会报段错误
}; // 分号必须有

int main()
{
	struct People p = {20, "lisi"}; // 使用时，struct People 是一个整体
	printf("%d, %s\n", p.age, p.name); // 用点访问结构体成员
	struct People *pp = &p;
	pp->age = 88;
	strcpy(pp->name, "jack"); // C 语言需要用 strcpy 函数实现字符串拷贝
	printf("%d, %s\n", p.age, p.name);

	return 0;
}

结构体成员变量的两种访问方式

用句点形式访问（结构体变量）

结构体变量声明后，可以直接用句点形式访问。

struct People p = {20, "lisi"};
p.age = 88;

用箭头访问（结构体指针变量）

定义指向结构体的指针后，可以通过箭头来访问成员变量。

struct People p = {20, "lisi"};
struct People * pp = &p;
pp->age = 88; // 等价于 (*pp).age

内存对齐

对于 32 位数据总线的机器（例如 80386），虽然对内存仍然是按照字节寻址，但每次内存操作都固定传输 32 位数据。如果每次数据传输都连续且不重叠，效率是最高的。所以操作系统把内存按照数据总线的位数划分为独立单元，对于 32 位数据总线的机器每个单元是 4 个字节。每个单元都完整的分配给一个程序。

C 语言的 struct 结构体中，可以放各种类型、不同长度的数据，可以看做一个数据包。为了在程序内部提高内存访问效率，也需要对齐内存。

下面的示例，struct People 中的第一个变量 sex 会对齐内存，第二个变量 age 紧随其后，总共占了三个字节，空余一个字节。之后的 no 占用 4 个字节，如果直接放在 sex 后面保存，则访问 no 时需要两次对内存的操作。为了提高时间效率，C 编译器会把 no 变量对齐内存，这样 no 跟 sex 之间会有一个字节的空白。

#include <stdio.h>

struct People {
	char sex; // 1 字节
	short age; // 2 字节，此时两字节对齐，前面空一个字节
	int no; // 4 字节，此时4字节对齐，前面空一个字节
};

int main()
{
	struct People p = {'m', 66, 1234567};
	printf("%d\n", sizeof(p)); // 8 个字节
}

下面的例子中，少了一个变量，但因为字节对齐的原因，存储空间并没有减少：

#include <stdio.h>

struct People {
	char sex; // 1 个字节
	int no; // 4 个字节，前面空 3 个字节
};

int main()
{
	struct People p = {'M', 1234567};
	printf("%d\n", sizeof(p)); // 还是 8 个字节
}

而这个例子中，因为结构体中变量的顺序发生改变，导致空间膨胀：

#include <stdio.h>

struct People {
	char sex; // 1 个字节
	int no; // 4 个字节，前面空 3 个字节
	short age; // 2 个字节，后面空 2 个字节
};

int main()
{
	struct People p = {'m', 1234567, 66};
	printf("%d\n", sizeof(p)); // 这里是 12 个字节
}