C语言位域和字节对齐相关问题

2019-02-01

Bit和Byte的关系

曾经有个师哥问我32位系统和64位系统中一个字节分别对应几位。

当时我还没毕业，想你说的什么玩意儿。。

写了一年多传输层的代码之后才牢牢记住，无论哪个系统一个字节永远都对应8位。

字节 = byte，位 = bit， 1byte = 8bit

byte是计算机的最小储存单位，bit为计算机的最小逻辑单位

32位CPU代表每次（不是每秒）CPU可以运算32个0/1逻辑，64位则是64个

位域（Bit Field）

在TCP层经常会使用到少于一个byte (8bit) 的标记位，因为计算机储存的最小单位是byte

所以需要对byte拆分的时候就会用到位域


//定义一个仅占用1byte 的结构体
//使用前4个bit 代表 first
//使用后4个bit 代表 second
struct value
{
    uint8_t first : 4;
    uint8_t second : 4;
};

int main() {
    //初始化
    value v = {1, 1};
    std::cout << "value: first = " << (int)v.first << std::endl;
    std::cout << "value: second = " << (int)v.second << std::endl;

    //赋值测试
    v.first = 20;
    v.second = 15;
    std::cout << "assgin 20 value: first = " << (int)v.first << std::endl;
    std::cout << "assgin 15 value: second = " << (int)v.second << std::endl;
}

分析输出我们会发现

当小于 2^4 = 16 时，数字都可以正常的被转化成int
当大于 2^4 = 16 时，因为越界，结果会被减去16

value: first = 1
value: second = 1
assgin 20 value: first = 4  //越界的地方
assgin 15 value: second = 15

字节对齐

字节对齐是另一个常见问题，原因在于CPU为了提高效率，会利用一些冗余空间把字节对齐成某个固定值的整数倍

但是对于我们操作byte结果很不方便，比如以下三个结构体在内存中占用的空间

//char 位于 int 之前
struct value_1
{
    char c;
    int i;
};

//char 位于 int 之后
struct value_2
{
    int i;
    char c;
};

//使用1字节对齐
#pragma pack(1)

struct value_3
{
    int i;
    char c;
};

//恢复默认字节对齐
#pragma pack()

通过对sizeof来看他们在内存中实际占用的空间，例如

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{

    cout << "sizeof char : " << sizeof(char) << endl;
    cout << "sizeof int : " << sizeof(int) << endl;
    cout << "sizeof short : " << sizeof(short) << endl;
    cout << "sizeof double : " << sizeof(double) << endl;

    cout << "sizeof { char int } : " << sizeof(value_1) << endl;
    cout << "sizeof { int char } : " << sizeof(value_2) << endl;
    cout << "sizeof pack(1) { int char } : " << sizeof(value_3) << endl;

    return 0;
}

分析输出，首先打印基本类型在内存中的空间

char(1byte = 8bit), int(4byte = 32bit), short(2byte = 16bit), double(8byte = 64bit)

然后无论 value_1 还是 value_2 无论我的数据组成顺序，都是 8byte > 1byte + 4byte (char + int)

这种利用3byte的冗余空间来保存结构体的优化，就是称为字节对齐，字节对齐的规则一般是使用整个结构体中最长的那个

如果我们声明使用 pack(1) 使用1byte进行对齐，则可以获得不包含冗余空间的内存结构 5byte = 1byte char + 4byte int

sizeof char : 1
sizeof int : 4
sizeof short : 2
sizeof double : 8
sizeof { char int } : 8
sizeof { int char } : 8
sizeof pack(1) { int char } : 5

Bit和Byte的关系

位域 （Bit Field）

字节对齐

位域（Bit Field）