【C语言】结构体内存对齐机制详解

一、前言

在讲解结构体内存对齐机制之前，我们先来看1个例子：

typedef struct
{
    char sex;       //  性别
    int id;         //  学号
    char name[20];  //  姓名
    float score;    //  成绩
    char addr[30];  //  地址
}STU;

int main(){
    STU student1;
    printf("%d\n",sizeof(student1));//  打印结构体变量所占内存长度
    return 0;
}

以上代码示例中定义了1个结构体student1，包含5个不同数据类型的成员，分别占用内存空间：
char sex：1 Byte
int id：4 Byte
char name[20]：20 Byte
float score：4 Byte
char addr[30]：30 Byte
根据结构体特性，结构体变量所占内存长度等于其各成员所占内存长度之和，因此这里打印的sizeof(student1)是否等于1+4+20+4+30=59呢？运行程序后结果如下：

size of student1: 64

为什么这里结构体变量student1所占内存长度是64而不是59呢？因为有结构体内存对齐机制的存在。这是很多新手程序猿很容易走进的一个误区，接下来我们一起来了解结构体对齐机制。

二、结构体内存对齐规则

1. 结构体第一个成员的地址即为该结构体变量的地址。
2. 结构体成员内存对齐时，其存放的内存单元大小为min{有效对齐值，指定对齐值}的最小整数倍。
   注意：
   自身对齐值： 结构体变量里每个成员自身所占内存大小
   指定对齐值： 使用宏定义#pragma pack(N) 其中N的值即为指定对齐值。N必须是2的幂次方，例如：1，2，4，8等，如果没有使用宏定义指定对齐值，则指定对齐值取决于操作系统位数，32位操作系统默认指定对齐值为4，64位操作系统默认指定对齐值为8。
   有效对齐值： 有效对齐值为min{自身对齐值，指定对齐值}。
3. 结构体总占用内存大小为min{成员最大自身对齐值，指定对齐值}的整数倍。

三、实例解析

以下示例代码均在64位Windows操作系统下运行
1、使用默认指定对齐值
使用文章前言的代码分析：

#include 

typedef struct
{
    char sex;       //  性别
    int id;         //  学号
    char name[20];  //  姓名
    float score;    //  成绩
    char addr[30];  //  地址
}STU;

int main(){
    STU student1;
    printf("size of student1: %d\n",sizeof(student1));    //  打印结构体变量所占内存长度
    return 0;
}

成员	自身对齐值	指定对齐值	有效对齐值
sex	1	8	min{1,8}
id	4	8	min{4,8}
name[20]	1	8	min{1,8}
score	4	8	min{4,8}
addr[30]	1	8	min{1,8}

结构体总体对齐时，应按照成员自身对齐值的最大值的整数倍对齐，这里程序在没有宏定义指定默认对齐值的情况下，对齐值就应该是min{4，8}，也就是4字节，这种情况下，该结构体每一个成员开辟的存储空间都为4字节。

成员	实际占用内存大小	系统开辟内存空间大小
sex	1	4
id	4	4
name[20]	20	20
score	4	4
addr[30]	30	32

成员id、name[20]、score实际占用内存大小刚好是对齐值4的整数倍，而成员sex则需要开辟4字节空间，实际只占用1字节，剩余3字节未使用；成员addr[30]需要开辟32字节空间，实际使用30字节，剩余2字节未使用。因此打印结构体变量student1所占内存大小为64字节。

2、修改默认指定对齐值
在上述示例基础之上修改默认指定对齐值：

#include 
#pragma pack(1) //  指定默认对齐值为1
typedef struct
{
    char sex;       //  性别
    int id;         //  学号
    char name[20];  //  姓名
    float score;    //  成绩
    char addr[30];  //  地址
}STU;
#pragma pack()  //  取消修改对齐值
int main(){
    STU student1;
    printf("size of student1: %d\n",sizeof(student1));    //  打印结构体变量所占内存长度
    return 0;
}

此时程序输出结果为：

size of student1: 59

以上代码使用#pragma pack(1) 将默认指定对齐值修改为1，那么结构体成员将会按照1字节做内存对齐。

成员	实际占用内存大小	系统开辟内存空间大小
sex	1	1
id	4	4
name[20]	20	20
score	4	4
addr[30]	30	30

此时打印结构体变量student1所占内存长度就为59。

如果将默认指定对齐值修改为2呢？

#include 
#pragma pack(2) //  指定默认对齐值为1
typedef struct
{
    char sex;       //  性别
    int id;         //  学号
    char name[20];  //  姓名
    float score;    //  成绩
    char addr[30];  //  地址
}STU;
#pragma pack()  //  取消修改对齐值
int main(){
    STU student1;
    printf("size of student1: %d\n",sizeof(student1));    //  打印结构体变量所占内存长度
    return 0;
}

程序输出结果：

size of student1: 60

成员	实际占用内存大小	系统开辟内存空间大小
sex	1	2
id	4	4
name[20]	20	20
score	4	4
addr[30]	30	30

这个时候除了成员sex之外，其余成员的自身对齐数均是2的整数倍，因此成员sex需要根据对齐数2进行内存对齐，开辟2字节空间存储，但实际只使用1字节空间，最后打印结构体变量student1的所占内存长度为60。