结构体 · 内存对齐

创始人

2024-05-10 06:22:06

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欢迎来到 Claffic 的博客 💞💞💞

前言：

在初识C语言中简单介绍了结构体，结构体可以理解为不同类型数据的集合体，但是你想过结构体的大小是如何计算的吗？看完这篇博客，你就能给自己答案了。

注：此博客包含进阶知识，建议学完C语言初阶知识再进行学习哦 ~

1.请看题

#include
struct Test
{int i;char c;double d;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct Test));return 0;
}

问：程序输出多少？

提示：编译环境VS2022，默认对齐数为8字节（什么意思？留个悬念）

题目的意思就是要求我们计算 Test 这个结构体的大小；

我们初步猜测：4（int 的大小）+ 1（char 的大小）+ 8（double 的大小）== 13 ；

是不是呢？

是就没有这篇博客啦

接下来让我们看看结构体的对齐是怎么规定的：

2.结构体的对齐规则

1. 第一个成员 在与结构体变量 偏移量为0 的地址处；
2. 其他成员变量 要对齐到 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的 较小值；
3. 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；
4. 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。

规则读起来吃力，更不要说理解了

没关系，跟我捋一遍解题的步骤；

跟我做完后再回来看上面的对齐规则，相信你会恍然大悟哒！

2.1画图准备

可以像我这样拷一份代码，列一个表格，补上默认对齐数；

我用的是 windows11 自带的默认画图软件。

2.2对齐

按照数据上往下的顺序（i --> c --> d）开始对齐，

先是第一个 int 类型的 i ，没啥顾虑的，直接从偏移量为 0的地方开始填充，填充 4 个字节（一个 int 类型大小）。

这里对应 1. 第一个成员 在与结构体变量 偏移量为0 的地址处；

接下来是 char 类型的 c ，这里要多考虑了：

首先是 c 的大小 与 默认对齐数（揭开悬念）的比较，取两者中的较小值： 1 ，作为改成员的对齐数；

接着是对齐，我们看到下一个空间的偏移量是 4 ，是 1 的整数倍 没错，可以放心填充。

这一步对应 2. 其他成员变量 要对齐到 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的 较小值；

然后是 double 类型的 d ，同上：

8 与 8 比较，就取 8，作为该成员的对齐数；

看下一个空间的偏移量是 5 ，不是 8 的整数倍，接着向下找，直到 8 ，开始填充：

最后就是结构体的总大小了：

很清楚，三个成员的最大对齐数是 8 ，那么总大小是 8 的整数倍；

目前填充到了 15 ，无奈，15 不是 8 的整数倍，只能继续向下找，嗯，那个值是 16。

这里对应 3. 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；

所以这道题的正确答案是 16

3.结构体嵌套

就着刚才解的题，再看下面这道：

#include
struct Test
{int i;char c;double d;
};struct Old
{int a;struct Test test;char b;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct Old));return 0;
}

其实就是刚才的结构体 Test 被嵌套了

这里就只提及结构体部分，其余的解法同上题。

结构体 Test 中，最大的对齐数是 8，所以从 8 的整数倍开始填充，它的大小就是 16，填充 16 个字节。

答案是 32 ，大家可以自行解决。

读到这里，建议再回首去看 4 条结构体的对齐规则，相信你会有明白的感觉 ~

4.内存对齐的原因：

不难发现，按照内存对齐，的却有内存被浪费了，但为什么还要按照这种规则呢？

根据参考资料，原因有两个方面。

1. 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。
2. 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。

简单解释，一次内存访问是有固定大小的，大小 4 或 8，以一次访问 4 字节为例：

没有内存对齐：