C语言结构体详解 (2) 结构体内存对齐,默认对齐数

        前言

        上次，我讲到了关于结构体的基本使用，大家若感兴趣的话看一看我之前写的一篇结构体博客，里面记载了我对于结构体的创建、初始化、嵌套结构体、结构体的访问访问方式和结构体传参方式等知识的见解，C语言结构体讲解_  ，接下来我来说一说结构体在内存中是如何分配内存的规则。

        一.结构体内存对齐

        我们通过之前对结构体基本的学习之后，之后让我们来计算一下结构体的大小吧。下面是几组练习题：

//练习1.
struct A {
	char c;
	int i;
	char b;
};

int main(){
    printf("%d\n",sizeof(struct A));
    return 0;
    }

        我们先按照一般思路来想，通过对变量类型所占空间可知，两个char型和一个int型数据共占8字节，那么struct A的大小会不会真的是8字节？答案如下：

        通过调试我们会发现结果为12字节。

首先得掌握结构体的对齐规则：
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中默认的对齐数值为8）
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。

        通过规则，我来讲一下struct A的大小是怎样形成的。如下图 ：

 

        结构体成员变量分配内存的详细过程：

        1.首先：char c为第一个成员变量，遵循第一条规则，char c从偏移量0开始，占1个字节，指针指向下一个偏移地址1

        2.接下来存放int i, 但偏移地址 “1” 并不是对齐数4的整数倍对齐数4来自（对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。）规则2，成员变量2是int类型，大小为4字节，在VS中，编译器默认对齐数为8，8与4的较小值为4，所以成员变量2的对齐数为4。那么指针需要移动到对齐数4的整数倍，即偏移量4地址处，开始存放int i 占4个字节，且偏移量1~3为空闲区，浪费了。

        3.接下来指针指向了偏移地址9，第三个成员变量char b的对齐数是1，偏移9是对齐数1的整数倍，符合条件，存放char b，占一字节，指针指向偏移10地址，由第三条规则可知，. 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，struct A最大对齐数是int i的对齐数4，那么现偏移10并不是对齐数4的整数倍，指针继续向下寻找符合条件的偏移地址，最后指针指向偏移12，12是4的整数倍，符合规则，那么偏移结束。

        结果共占12字节，内存中浪费了6个字节。

        通过详细的讲解，大家应该都了解了结构体变量的内存分配方式了，接下来，请大家再来练一练，加深对结构体内存分配的了解吧

//练习2
struct SS2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};


    int main(){

	printf("%d\n", sizeof(struct SS2));

	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    
    return 0;
}

        练习2的讲解过程：

        1.首先：char c1为第一个成员变量，遵循第一条规则，char c从偏移量0开始，占1个字节，指针指向下一个偏移地址1

        2.接下来存放char c2,c2的对齐数是1，那么偏移地址“1”是对齐数1的整数倍，开始存放char c2,占一字节。

        3.最后存放int i, 指针现指向偏移量为2的地址，但偏移地址 “2” 并不是int i对齐数4的整数倍，那么指针需要移动到对齐数4的整数倍，即偏移量4地址处，开始存放int i 占4个字节。之后，指针指向了偏移量为8的地址，偏移量八是结构体总大小最大对齐数4的整数倍，符合规则，那么偏移结束。

        结果共占8字节，内存中浪费了2个字节（偏移地址2~3）

        练习3就不再多讲了,结果为16字节。答案如下： 

 

加大难度，请大家来练习一下嵌套结构体所占的内存大小。

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


struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main(){
    printf("%d\n", sizeof(struct S4));
    return 0;
    }

        练习4.结构体内存分配过程：

   1.首先：char c1为第一个成员变量，遵循第一条规则，char c从偏移量0开始，占1个字节，指针指向下一个偏移地址1

   2.其次，第二个成员变量为结构体S3，说明是嵌套结构体，通过刚才对S3的结构体大小可知是16字节，且S3中最大对齐数为8，通过规则4可知，现指针指向的偏移地址1并不是对齐数8的整数倍，所以指针需要向后跳转，直到指针指向偏移量为8的地址，才符合要求，开始存放struct S3成员变量，共16字节。

    3.最后，指针指向偏移量为24的地址处，最后一个成员变量为double d，d的对齐数为8，偏移地址“24”是对齐数8的整数倍，所以开始存放double d，占8字节。

        现在指针指向了偏移量为32的地址，32是整个结构体最大对齐数8的整数倍，偏移结束，结构体S4共占32字节，浪费了7个字节（偏移地址1~7）。

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        大家想必会问，为啥会有在内存对齐?

我通过大量资料的翻阅和整理，得出以下结论：

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。

总体来说： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

 

那我们该如何在不破坏内存对齐的同时，又能节省空间呢？

其实，练习1和练习2就是很好的例子，这两个结构体成员变量相同，都是两个char型和一个int型成员，但它们所规划的变量位置不同。第一个结构体的成员分配是char，int，char 共占12字节；第二个结构体成员分配是char，char，int，共占8字节。从这里便可得出结论：

                                        让占用空间小的成员尽量集中在一起。

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二.默认对齐数 

        从规则可知，在VS中，默认的对齐数为8字节，其他编译器也有属于它们的默认对齐数，但不都是8。

        我们可以通过指令来修改系统的对齐数：

                        #pragma pack( )——指令

系统默认的对齐数： #pragma pack(8)

修改只能填写2的n次方（n>=0)，例如 #pragma pack(4)， #pragma pack(1),                                                                                           #pragma pack(16)......

2.代码实践

struct C {
	int i;
	double d;
	};

#pragma pack(4)//修改默认对齐数为4
struct C2 {
	int i;
	double d;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认


#pragma pack(1)//修改默认对齐数为1
struct C3 {
	char a;
	int i;
	char c;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认



int main() {
	printf("%d\n", sizeof(struct C));

	printf("%d\n", sizeof(struct C2));

	printf("%d\n", sizeof(struct C3));

	return 0;

    struct C若不修改对齐数，大小为16字节

    struct C2若不修改对齐数是16字节；修改对齐数为4后，12字节

    struct C3不修改对齐数是12字节；修改对齐数为1后成为6字节

结论： 结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。