相信大家對于結(jié)構(gòu)體都不陌生。在此，分享出本人對C語言結(jié)構(gòu)體的研究和學習的總結(jié)。如果你發(fā)現(xiàn)這個總結(jié)中有你以前所未掌握的，那本文也算是有點價值了。當然，水平有限，若發(fā)現(xiàn)不足之處懇請指出。代碼文件test.c我放在下面。
在此，我會圍繞以下2個問題來分析和應(yīng)用C語言結(jié)構(gòu)體：
1. C語言中的結(jié)構(gòu)體有何作用
2. 結(jié)構(gòu)體成員變量內(nèi)存對齊有何講究(重點)
對于一些概念的說明，我就不把C語言教材上的定義搬上來。我們坐下來慢慢聊吧。
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1. 結(jié)構(gòu)體有何作用
三個月前，教研室里一個學長在華為南京研究院的面試中就遇到這個問題。當然，這只是面試中最基礎(chǔ)的問題。如果問你你怎么回答？
我的理解是這樣的，C語言中結(jié)構(gòu)體至少有以下三個作用：
(1)有機地組織了對象的屬性。
比如，在STM32的RTC開發(fā)中，我們需要數(shù)據(jù)來表示日期和時間，這些數(shù)據(jù)通常是年、月、日、時、分、秒。如果我們不用結(jié)構(gòu)體，那么就需要定義6個變量來表示。這樣的話程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是松散的，我們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最好是“高內(nèi)聚，低耦合”的。所以，用一個結(jié)構(gòu)體來表示更好，無論是從程序的可讀性還是可移植性還是可維護性皆是：
typedef struct //公歷日期和時間結(jié)構(gòu)體
{
vu16 year;
vu8 month;
vu8 date;
vu8 hour;
vu8 min;
vu8 sec;
}_calendar_obj;
_calendar_obj calendar; //定義結(jié)構(gòu)體變量
(2)以修改結(jié)構(gòu)體成員變量的方法代替了函數(shù)(入口參數(shù))的重新定義。
如果說結(jié)構(gòu)體有機地組織了對象的屬性表示結(jié)構(gòu)體“中看”，那么以修改結(jié)構(gòu)體成員變量的方法代替函數(shù)(入口參數(shù))的重新定義就表示了結(jié)構(gòu)體“中用”。繼續(xù)以上面的結(jié)構(gòu)體為例子，我們來分析。假如現(xiàn)在我有如下函數(shù)來顯示日期和時間：
void DsipDateTime( _calendar_obj DateTimeVal)
那么我們只要將一個_calendar_obj這個結(jié)構(gòu)體類型的變量作為實參調(diào)用DsipDateTime()即可，DsipDateTime()通過DateTimeVal的成變量來實現(xiàn)內(nèi)容的顯示。如果不用結(jié)構(gòu)體，我們很可能需要寫這樣的一個函數(shù)：
void DsipDateTime( vu16 year，vu8 month，vu8 date，vu8 hour，vu8 min，vu8 sec)
顯然這樣的形參很不可觀，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理起來也很繁瑣。如果某個函數(shù)的返回值得是一個表示日期和時間的數(shù)據(jù)，那就更復(fù)雜了。這只是一方面。
另一方面，如果用戶需要表示日期和時間的數(shù)據(jù)中還要包含星期(周)，這個時候，如果之前沒有用機構(gòu)體，那么應(yīng)該在DsipDateTime()函數(shù)中在增加一個形參vu8 week：
void DsipDateTime( vu16 year，vu8 month，vu8 date，vu8 week，vu8 hour，vu8 min，vu8 sec)
可見這種方法來傳遞參數(shù)非常繁瑣。所以以結(jié)構(gòu)體作為函數(shù)的入口參數(shù)的好處之一就是
函數(shù)的聲明void DsipDateTime( _calendar_obj DateTimeVal)不需要改變，只需要增加結(jié)構(gòu)體的成員變量，然后在函數(shù)的內(nèi)部實現(xiàn)上對calendar.week作相應(yīng)的處理即可。這樣，在程序的修改、維護方面作用顯著。
typedef struct //公歷日期和時間結(jié)構(gòu)體
{
vu16 year;
vu8 month;
vu8 date;
vu8 week;
vu8 hour;
vu8 min;
vu8 sec;
}_calendar_obj;
_calendar_obj calendar; //定義結(jié)構(gòu)體變量
(3)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊原則可以提高CPU對內(nèi)存的訪問速度(以空間換取時間)。
并且，結(jié)構(gòu)體成員變量的地址可以根據(jù)基地址(以偏移量offset)計算。我們先來看看下面的一段簡單的程序，對于此程序的分析會在第2部分結(jié)構(gòu)體成員變量內(nèi)存對齊中詳細說明。
}
#include<stdio.h>
int main()
{
struct //聲明結(jié)構(gòu)體char_short_long
{
char c;
short s;
long l;
}char_short_long;
struct //聲明結(jié)構(gòu)體long_short_char
{
long l;
short s;
char c;
}long_short_char;
struct //聲明結(jié)構(gòu)體char_long_short
{
char c;
long l;
short s;
}char_long_short;
printf(" \n");
printf(" Size of char = %d bytes\n",sizeof(char));
printf(" Size of shrot = %d bytes\n",sizeof(short));
printf(" Size of long = %d bytes\n",sizeof(long));
printf(" \n"); //char_short_long
printf(" Size of char_short_long = %d bytes\n",sizeof(char_short_long));
printf(" Addr of char_short_long.c = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_short_long.c,&char_short_long.c);
printf(" Addr of char_short_long.s = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_short_long.s,&char_short_long.s);
printf(" Addr of char_short_long.l = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_short_long.l,&char_short_long.l);
printf(" \n");
printf(" \n"); //long_short_char
printf(" Size of long_short_char = %d bytes\n",sizeof(long_short_char));
printf(" Addr of long_short_char.l = 0x%p (10進制：%d)\n",&long_short_char.l,&long_short_char.l);
printf(" Addr of long_short_char.s = 0x%p (10進制：%d)\n",&long_short_char.s,&long_short_char.s);
printf(" Addr of long_short_char.c = 0x%p (10進制：%d)\n",&long_short_char.c,&long_short_char.c);
printf(" \n");
printf(" \n"); //char_long_short
printf(" Size of char_long_short = %d bytes\n",sizeof(char_long_short));
printf(" Addr of char_long_short.c = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_long_short.c,&char_long_short.c);
printf(" Addr of char_long_short.l = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_long_short.l,&char_long_short.l);
printf(" Addr of char_long_short.s = 0x%p (10進制：%d)\n",&char_long_short.s,&char_long_short.s);
printf(" \n");
return 0;
}
程序的運行結(jié)果如下(注意：括號內(nèi)的數(shù)據(jù)是成員變量的地址的十進制形式)：
2. 結(jié)構(gòu)體成員變量內(nèi)存對齊
首先，我們來分析一下上面程序的運行結(jié)果。前三行說明在我的程序中，char型占1個字節(jié)，short型占2個字節(jié)，long型占4個字節(jié)。char_short_long、long_short_char和char_long_short是三個結(jié)構(gòu)體成員相同但是成員變量的排列順序不同。并且從程序的運行結(jié)果來看，
Size of char_short_long = 8 bytes
Size of long_short_char = 8 bytes
Size of char_long_short = 12 bytes //比前兩種情況大4 byte ！
并且，還要注意到，1 byte (char)+ 2 byte (short)+ 4 byte (long) = 7 byte，而不是8 byte。
所以，結(jié)構(gòu)體成員變量的放置順序影響著結(jié)構(gòu)體所占的內(nèi)存空間的大小。一個結(jié)構(gòu)體變量所占內(nèi)存的大小不一定等于其成員變量所占空間之和。如果一個用戶程序或者操作系統(tǒng)(比如uC/OS-II)中存在大量結(jié)構(gòu)體變量時，這種內(nèi)存占用必須要進行優(yōu)化，也就是說，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部成員變量的排列次序是有講究的。
結(jié)構(gòu)體成員變量到底是如何存放的呢？
在這里，我就不賣關(guān)子了，直接給出如下結(jié)論，在沒有#pragma pack宏的情況下：
原則1 結(jié)構(gòu)（struct或聯(lián)合union）的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員大小的整數(shù)倍開始（比如int在32位機為4字節(jié)，則要從4的整數(shù)倍地址開始存儲）。
原則2 結(jié)構(gòu)體的總大小，也就是sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍，不足的要補齊。
*原則3 結(jié)構(gòu)體作為成員時，結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素時，那么b應(yīng)該從8的整數(shù)倍地址處開始存儲，因為sizeof(double) = 8 bytes）
這里，我們結(jié)合上面的程序來分析(暫時不討論原則3)。
先看看char_short_long和long_short_char這兩個結(jié)構(gòu)體，從它們的成員變量的地址可以看出來，這兩個結(jié)構(gòu)體符合原則1和原則2。注意，在 char_short_long的成員變量的地址中， char_short_long.s的地址是1244994，也就是說，1244993是“空的”，只是被“占位”了！
再看看char_long_short這個結(jié)構(gòu)體，char_long_short的地址分布情況如下表：
|
成員變量 |
成員變量十六進制地址 |
成員變量十進制地址 |
|
char_long_short.c |
0x0012FF2C |
1244972 |
|
char_long_short.l |
0x0012FF30 |
1244976 |
|
char_long_short.s |
0x0012FF34 |
1244980 |
可見，其內(nèi)存分布圖如下，共12 bytes：
|
地址 |
1244972 |
1244973 |
1244974 |
1244975 |
1244976 |
1244977 |
1244978 |
1244979 |
1244980 |
1244981 |
1244982 |
1244983 |
|
成員 |
.c |
|
|
|
.l |
.s |
|
|
||||
首先，1244972能被1整除，所以char_long_short.c放在1244972處沒有問題(其實，就char型成員變量自身來說，其放在任何地址單元處都沒有問題)，根據(jù)原則1，在之后的1244973~1244975中都沒有能被4(因為sizeof(long)=4bytes)整除的，1244976能被4整除，所以char_long_short.l應(yīng)該放在1244976處，那么同理，最后一個.s(sizeof(short)=2 bytes)是應(yīng)該放在1244980處。
是不是這樣就結(jié)束了？不是，還有原則2。根據(jù)原則2的要求，char_long_short這個結(jié)構(gòu)體所占的空間大小應(yīng)該是其占內(nèi)存空間最大的成員變量的大小的整數(shù)倍。如果我們到此就結(jié)束了，那么char_long_short所占的內(nèi)存空間是1244972~1244981共計10bytes，不符合原則2，所以，必須在最后補齊2個 bytes(1244982~1244983)。
至此，一個結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局完成了。
下面我們按照上述原則，來驗證這樣的分析是不是正確。按上面的分析，地址單元1244973、1244974、1244975以及1244982、1244983都是空的(至少char_long_short未用到，只是“占位”了)。如果我們的分析是正確的，那么，定義這樣一個結(jié)構(gòu)體，其所占內(nèi)存也應(yīng)該是12 bytes：
struct //聲明結(jié)構(gòu)體char_long_short_new
{
char c;
char add1; //補齊空間
char add2; //補齊空間
char add3; //補齊空間
long l;
short s;
char add4; //補齊空間
char add5; //補齊空間
}char_long_short_new;
運行結(jié)果如下：
可見，我們的分析是正確的。至于原則3，大家可以自己編程驗證，這里就不再討論了。
所以，無論你是在VC6.0還是Keil C51，還是Keil MDK中，當你需要定義一個結(jié)構(gòu)體時，只要你稍微留心結(jié)構(gòu)體成員變量內(nèi)存對齊這一現(xiàn)象，就可以在很大程度上節(jié)約MCU的RAM。這一點不僅僅應(yīng)用于實際編程，在很多大型公司，比如IBM、微軟、百度、華為的筆試和面試中，也是常見的。
本例完整的程序代碼下載: http://www.torrancerestoration.com/f/cjgt.rar