C语言详解结构体的内存对齐与大小计算

2024-12-02 10:39:24

结构体的内存对齐

1、计算结构体的大小

struct S1
{
	char c1; // 1 byte，默认对齐数为8，所以c1的对齐数是1，第一个成员变量放在与结构体变量偏移量为0的地址处
	int i;   // 4 byte，默认对齐数为8，所以i的对齐数是4，所以i要放到偏移量为 4的整数倍 的地址处
	char c2; // 1 byte，默认对齐数为8，所以c2的对齐数是1，所以c2要放到偏移量为 1的整数倍 的地址处
	//最大对齐数是4
	//成员大小为9，不是最大对齐数4的整数倍，所以结构体总大小为12
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

原理分析：

【练习题】

// 练习1
struct S2
{
	char c1;  // 1 byte / 8，对齐数是1，
	char c2;  // 1 byte / 8，对齐数是1，
	int i;    // 4 byte / 8，对齐数是4，
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为8，是最大对齐数的整数倍，所以结构体总大小为8
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

// 练习2
struct S3
{

	char c;   // 1/8，对齐数是1
	int i;    // 4/8，对齐数是4
	double d; // 8/8，对齐数是8
	// 最大对齐数是8
	// 成员大小为16，是最大对齐数的整数倍，所以结构体总大小为16
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

// 练习3-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;      //  1/8，对齐数是1
	struct S3 s3; // 16 byte，【S3的最大对齐数是8】，所以s3要放到8的整数倍的地址处
	double d;     //  8/8，对齐数是8
	// 最大对齐数是8
	// 成员大小为32，是最大对齐数的整数倍，所以结构体总大小为32
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

2、结构体的对齐规则

第一个成员变量在与结构体变量偏移量为 0 的地址处。

其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。

对齐数 =「编译器默认的一个对齐数」与「该成员大小」中的较小值。
VS中默认对齐数为「8」，Linux中没有对齐数

结构体总大小为：最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

3、为什么存在内存对齐？

大部分的参考资料是这样说的：

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。（那我们就要将数据对齐到能够访问的这些地址处）
性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

4、总结

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

思考：那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

// 例如：
struct S1
{
	char c1;  // 1/8，对齐数是1
	int i;    // 4/8，对齐数是4
	char c2;  // 1/8，对齐数是1
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为9，不是最大对齐数的整数倍，所以结构体总大小为12
};

struct S2
{
	char c1;  // 1/8，对齐数是1
	char c2;  // 1/8，对齐数是1
	int i;    // 4/8，对齐数是4
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为8，是最大对齐数的整数倍，所以结构体总大小为8
};

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小却有了一些区别。

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