结构体中的内存对齐问题

结构体中的内存对齐

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一.内存对齐的原因

1.平台原因（移植原因）： 一些资料上是这样说的，“不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据；某些硬件平台只能在某些特定地址处取某些特定的数据，否则就会抛出硬件异常”。也就是说在计算机在内存读取数据时，只能在规定的地址处读数据，而不是内存中任意地址都是可以读取的。

2.效率原因： 正是由于只能在特定的地址处读取数据，所以在访问一些数据时，对于访问未对齐的内存，处理器需要进行两次访问；而对于对齐的内存，只需要访问一次就可以。 其实这是一种以空间换时间的做法，但这种做法是值得的。

例如：
尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的。它一般会以双字节,四字节,8字节,16字节甚至32字节为单位来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度。

现在考虑4字节存取粒度的处理器取int类型变量（32位系统），该处理器只能从地址为4的倍数的内存开始读取数据。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的连续四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器.这需要做很多工作。

现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

二.结构体内存对齐规则

1.第一个成员在结构体变量偏移量为0 的地址处，也就是第一个成员必须从头开始。

2.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。对齐数为编译器默认的一个对齐数与该成员大小中的较小值。vs中默认值是8 ，Linux默认值为4（当然可以通过#pragma pack（）修改），但修改只能设置成1，2，4，8，16。

3.结构体总大小为最大对齐数的整数倍。（每个成员变量都有自己的对齐数）

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

三.内存对齐规则应用

例1：

struct S1
{
     
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n",sizeof(struct S1));

结果是8。c1是char型，占一个字节，第一个成员即 c1 在结构体变量偏移量为0 的地址处。 c2是char型，占一个字节，要对齐到对齐数的整数倍的位置。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中默认值是8，取较小值1，char类型的对齐数是1，所以对齐到1 的整数倍，那就是偏移量为1开始的地址空间。i是int类型，占四个字节，要对齐到对齐数的整数倍的位置。int类型的对齐数就是 4，所以对齐到4 的整数倍。

内存分布图

例2：

struct S2
{
     
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n",sizeof(struct S2));

结果是12。 c1是char型，占一个字节，对应到结构体变量偏移量为0 的地址处。i是int型，占四个字节，对齐数就是4，对齐到4的整数倍位置处，即偏移量为4开始的地址空间。c2是char型，占一个字节，对齐到1 的整数倍，那就是下一个地址空间，对齐到偏移量为8的地址空间。结构体总大小为最大对齐数的整数倍，所以为对齐数4的整数倍，现在已经用了9个字节的空间，那么总大小就是12个字节空间。所以输出结果是12。

内存分布图

例3：

struct S3
{
     
double d;
char c;
int i;
};

struct S4
{
     
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n",sizeof(struct S2));

结果是32。 根据上面讲解的容易得出struct S3占16个字节。那我们来看一下struct S4的大小，struct S4中有三个成员变量，第一个char型，占一个字节，对齐到偏移量为0的地址处。第二个成员是结构体嵌套使用，结构体S3变量s3，刚才已经得出占16个字节，所以第二个成员对齐数是16，又因为对齐数是编译器默认数与成员对齐数中的较小值，vs默认对齐数是8，取较小值8，所以对齐到偏移量为8的地址空间。处。第三个成员是double型，占8个字节，对应到8的整数倍即偏移量24的地址处。结构体总大小是最大对齐数8的整数倍，所以是32。

内存分布图