如何计算一个结构体的大小？（C语言）

写在前面

我们知道C语言中各种内置类型定义的变量都是有大小的，比如 int 类型的变量占4个字节，而像我们自定义类型的变量（结构体变量）大小又是多少呢？是简单的将每个成员变量的大小相加吗？带着疑问我们来探究一下结构体的大小到底是如何进行计算的。

1. 结构体的内存对齐

要想正确计算结构体的大小，首先要知道结构体内存对齐的规则。
结构体的内存对齐规则如下：

• 第一个成员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 该成员大小的较小值。VS中默认的值为8。
• 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。

对齐偏移：每个数据类型都有一个对齐偏移量，表示从结构体的起始位置到该数据类型的首个有效字节的偏移量。

2. 结构体大小的计算方式（四步法）

上面我们了解了结构体内存对齐的规则以后，下面我们通过一个例子在vs2013这个平台来探究一下结构体的大小是如何计算的？

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

第一步：结构体的第一个成员放在结构体变量偏移量为0的地址处。c1是结构体的第一个成员变量，其类型是char类型，占一个字节。

第二步：依次写出结构体成员变量的对齐数。

• 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值，VS中默认的对齐数为8。
  
  第三步：将剩余成员变量依次对齐到该成员变量对齐数的整数倍的地址处。
  
  第四步：计算结构体的大小。
• 结构体总大小为最大对齐数的整数倍。
  此时结构体的最大对齐数是4，成员变量占用了9个字节，不是4的整数倍，继续往后浪费3个字节，最后结构体的大小为12个字节。
  
  我们在vs平台上验证一下我们分析的结果：
  

3. 修改默认对齐数

一些编译器允许使用预处理指令来修改默认对齐方式。例如，可以使用#pragma pack()指令来指定对齐方式。我们需要将默认对齐数修改为多少，在（）里面填入多少即可。以下是一个示例：

#pragma pack(1) // 将默认对齐方式设置为1字节
struct MyStruct 
{
    int a;
    double b;
};
#pragma pack() // 恢复默认对齐方式

有了该预处理指令，我们可以根据我们的需求，设置相应的默认对齐数。

4. 内存对齐的意义

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. 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。

总之：结构体的内存对齐是一种优化技术，是一种拿空间来换取时间的做法。

5. 结构体设计技巧

在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，我们需要如何设计结构体呢？
当在我们设计结构体的时候，如果结构体成员的顺序设计得不合理的话，是有可能造成内存浪费的。如下面这段代码：

#include 
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	printf("struct S1 = %d, struct S2 = %d,", sizeof(struct S1), sizeof(struct S2));
	return 0;
}

上面两个结构体除了成员变量的顺序不同，并没有其他不同，而我们在按照计算结构体大小的规则来计算S1 和 S2的大小时，S1的大小为12个字节， S2的大小为8个字节。

因此，结构体在设计时，我们要尽可能的将占用空间小的成员集中在一起，以避免造成不必要的空间浪费。

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