【C语言】计算结构体的大小！结构体内存对齐的意义是什么？

1. 结构体内存对齐

1.1 结构体的内存对齐规则

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（VS中默认的值为8）与该成员大小中的较小值。默认对齐数只有vs编译器是8，其它编译器如gcc和clang的默认对齐数都是变量大小本身。
3. 结构体总大小为当中所有成员变量的最大对齐数的整数倍。
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。

1.2 例子

例1：

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

根据对齐规则，画图分析得出：大小为12个字节。

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例2：

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

画图分析得出（不再详细说明，请参照对齐规则）：大小为8个字节。

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例3：嵌套结构体

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
}; // 大小为16
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3; 
	double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

这题涉及到对齐规则的第四条嵌套结构体的情况。不过不难看出结构体S3的最大对齐数是8。

根据规则4，S4的大小为整个结构体的最大对齐数（包括嵌套结构体的对齐数）的整数倍，S4的大小为32（0-31刚好是32个字节）。

1.3 结构体内存对齐的意义

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. 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。

比如32位平台下，处理器一次访问32个bit位，假如没有对齐，那么某个变量的数据一次压根就没有访问完，可能还剩一两个字节的数据没有访问，还需要访问第二次（比如例1中c1和c2，一次访问4个字节还剩1个字节没访问，这样很麻烦）。如果对齐了，对齐数都是2的幂次方，一次肯定是能完整取到数据的。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

1.4 如何正确地设计结构体

既要满足对齐，又要节省空间：让占用空间小的成员尽量集中在一起，这样可能就不会浪费掉中间的空间，比如下面两个结构体的对比：

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

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1比S2所占空间大，原因就是成员变量c1和i之间浪费了3个字节。

1.5 修改默认对齐数

//设置默认对齐数为1，除0以外任何偏移量都是1的整数倍，就等于没有默认对齐数的概念
#pragma pack(1)
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
	// 所有成员的对齐数是都是1，挨着存放 1 + 4 + 1 = 6
	printf("%d\n", sizeof(struct S1)); // 6
	return 0;
}

1.6 offsetof 宏计算结构体成员的偏移量

#include 
#include  // offsetof 所在头文件
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i)); // 4
	return 0;
}