C 语言结构体、数组的内存布局

申明一个结构体： 

struct fraction {
    int denom;
    int num;
};

下面是一些对 fraction 结构体的操作： 

fraction f;
f.denom = 22;
f.num = 7;

((fraction*)&(f.num))->denom = 12;
std::cout << f.num << std::endl;
((fraction*)&(f.num))->num = 33;
std::cout << (&f)[1].denom << std::endl;

下面逐行解释下上面的程序。

首先我们声明了类型是 fraction 的变量 f，在栈上分配了两个 4 字节去存储，低位是 denom，高位是 num：

mem
num
denom

接下来是两个赋值语句，内存变成了：

mem
7
22

接下来是个复杂的赋值语句，&(f.num) 拿到了 num 所在内存的地址，(fraction*) 告诉编译器这个地址是上放的是 fraction 结构体，->denom 是修改这个虚拟结构体的 denom 字段。好了，内存变成了：

mem
12
22

所以紧接着那句输出是 12。接下来又是个类似的复杂赋值语句，不再赘述，内存变成了：

mem
33
12
22

使用原来的 f 能不能访问到 33 这个值呢？能，方法就是最后一个语句。(&f) 取到 f 的地址，(&f)[1]，编译器会向后偏移 f 指向的对象的大小，fraction 大小是八字节，所以这句就是往后偏移八个字节，于是乎指向 33 所在的内存。最后，拿出 denom 的值。

数组在内存中的布局比较简单，很直接。需要注意的是C、C++并不检查数据越界，访问外面的数据会破坏上下文的数据或者访问不能访问的内存，很危险。

总结下数组和指针操作的等价性： 

arr ≡ &arr[0]
arr + k ≡ &arr[k]
*arr ≡ arr[0]
*(arr + k) ≡ *arr[k]
其中，k 可以为负数。

下面看个示例： 

int arr[5];
((short*)(((char*)(&arr[1])) + 8))[2] = 100;
((short*)(((char*)(&arr[1])) + 8))[3] = 1;
std::cout << arr[4] << std::endl;
申明了五个 int 的数组，&arr[1] 拿到第二个元素的地址， (char*) 让编译器认为当前指针是 char* 类型，+8 操作就是往后偏移 8 个字节，这时，指针指向了 arr[3]。(short*) 让编译器认为当前指针是 short* 类型，[2] 和 +2 是等价的，移动 个字节，现在指针指向的是 arr[4]，但是编译器会认为这里是个 short 并赋值为 100。所以 arr[4] 的内存就是 0x64 0x00 0x00 0x00（小端）。下面一句类似，[3] 就是移动 个字节，指向了 arr[4] 的后半段，赋值 1，内存就是 0x64 0x00 0x01 0x00。输出语句就是把 arr[4] 里面所有的内容以 int 的方式输出 。

最后，看一个综合的示例： 

struct student {
    char* name;
    char suid[8];
    int numUnits;
};

student pupils[2];
pupils[0].numUnits = 21;
pupils[1].name = pupils[0].suid + 6;
strcpy(pupils[0].suid, "40415xx");
std::cout << pupils[0].suid << std::endl;
strcpy(pupils[1].name, "123456");
std::cout << pupils[0].suid << std::endl;
std::cout << std::hex << pupils[0].numUnits << std::endl;
内存布局类似下面的形式：

mem 4 bytes per row
numUnits
s s u u
i i d d
name
name
numUnits
s s u u
i i d d
name
name

下面的是 pupils[0] 上面的是 pupils[1]。经过第一个输出之前的三个赋值语句后：

mem 4 bytes per row
numUnits
s s u u
i i d d
name
name
21
5 x x \0
4 0 4 1
name
name

另外，pupils[1].name 指向的是倒数第四行第二个 x 所在的内存。

第一个输出语句很简单，40415xx，遇到 \0 就结束了。 下面看第二个 strcpy。 

strcpy(pupils[1].name, "123456");

这个语句的操作结果是：

mem 4 bytes per row
numUnits
s s u u
i i d d
name
\0 name
3 4 5 6
5 x 1 2
4 0 4 1
name
name

这时，输出的 pupils[0].suid 是 40415x123456，遇到 pupils[1] 的 \0 才结束。pupils[0].numUnits 也已经被修改了，16 进制输出是 36353433，数字 6 的 ASCII 码对应的就是 0x36，其他类似。