结构体中的内存管理

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发布于: 2020 年 09 月 05 日
注：本文使用的环境为：Ubuntu18.0/64位
C语言中的结构体结构体是C语言中的一种构造数据类型，表示一堆数据的集合，其中的成员（member）的数据类型可以不同。
字节对齐原则为了提高CPU的访问效率，结构体的存放有着字节对齐的原则，例如在我所使用的64位操作系统环境下，CPU一次从内存中读取8个字节的数据，若数据存在对齐，则能更好的访问他们。
CPU访问内存示意图
结构体的字节对齐原则：
结构体的起始位置为成员中所占内存最大成员的整数倍。
各成员的起始位置，为成员自身的整数倍，若不足则在前一成员后补空。
结构体的总长度为最大字节成员所占内存的整数倍，若不足则在末尾补空。
#include<stdio.h>
struct TEST
{
    char a[3];
    int i;
    char c;
    long j;
};
int main()
{
    struct TEST tt;
    printf("结构体的起始地址：%p\n",&tt);
    printf("结构体的大小：%ld\n",sizeof(tt));
    printf("a的起始地址：%p\n",&tt.a);
    printf("a的大小：%ld\n",sizeof(tt.a));
    printf("i的起始地址：%p\n",&tt.i);
    printf("i的大小：%ld\n",sizeof(tt.i));
    printf("c的起始地址：%p\n",&tt.c);
    printf("c的大小：%ld\n",sizeof(tt.c));
    printf("j的起始地址：%p\n",&tt.j);
    printf("j的大小：%ld\n",sizeof(tt.j));
}
运行结果：
结构体的起始地址：0x7ffc9ac25f30
结构体的大小：24
a[2]的起始地址：0x7ffc9ac25f30
a[2]的大小：3
i的起始地址：0x7ffc9ac25f34
i的大小：4
c的起始地址：0x7ffc9ac25f38
c的大小：1
j的起始地址：0x7ffc9ac25f40
j的大小：8
结构体tt的内存示意图
内存优化方法观察上面的内存示意图和代码运行结果，发现这样使用结构体使内存由大量的冗余，这时我们可以对其进行优化。
根据其字节对齐的原则我们可以有相应的优化方法：
调整结构体中成员的位置
使用强制对齐
使用位域
1、调整结构体成员位置根据其存放时的对齐原则，我们合理的调整结构体中成员的位置可以更大化的利用内存。
...
struct TEST
{
    char a[3];
    char c;
    int i;
    long j;
};
...
我们将char型的c前置，使后面的成员对齐时不再补空。
运行结果：
结构体的起始地址：0x7ffc247ae6c0
结构体的大小：16
a的起始地址：0x7ffc247ae6c0
a的大小：3
i的起始地址：0x7ffc247ae6c4
i的大小：4
c的起始地址：0x7ffc247ae6c3
c的大小：1
j的起始地址：0x7ffc247ae6c8
j的大小：8
优化后的内存示意图
2、强制对齐使用#pragma pack（n）命令可改变编译器的默认对齐方式，其中n为需对齐的字节，这里我们将使用#pragma pack（1）的强制对齐方式。* 更多#pragma pack（n）的信息
...
#pragma pack(1)
...
struct TEST
{
    char a[3];
    int i;
    char c;
    long j;
};
...
运行结果：
结构体的起始地址：0x7ffc6af64e30
结构体的大小：16
a的起始地址：0x7ffc6af64e30
a的大小：3
i的起始地址：0x7ffc6af64e33
i的大小：4
c的起始地址：0x7ffc6af64e37
c的大小：1
j的起始地址：0x7ffc6af64e38
j的大小：8
优化后的内存示意图
3、使用位域在实际使用中，对于结构体中的成员我们有时可能不需要用到它的整个内存，有可能只需要用到一个位，比如控制一个开关，我们可能只需要用到0或者1就能控制。* 更多位域信息
...
#pragma pack(1)
...
struct TEST
{
    char a[3];
    int i：7;
    char c：1;
    long j;
};
...
﻿
运行结果：
结构体的起始地址：0x7ffc9324802c
结构体的大小：12
a的起始地址：0x7ffc9324802c
a的大小：3
j的起始地址：0x7ffc93248030
j的大小：8
注意：在使用位域后不能直接查看成员的地址。
优化后内存示意图
一定需要优化吗？观察上节中使用位域优化的例子可以发现，优化后内存占用确实是少了，但是CPU访问内存时，仍需访问两次，可见性能并没有提升，在实际应用中我们应视情况来合理的优化结构体内存的使用。比如在一组操作中，两个操作是同时进行或者使用的次数较多时，可选择将其放在同一中，以达到提升效率的目的。
参考资料：
C语言结构体丨C语言技术网
C位域丨菜鸟教程 
封面：Pexels 上的 Rodolfo Clix 拍摄的图片