c语言-结构体内存对齐

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前言

本篇文章介绍结构体内存对齐。

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一、结构体内存对齐

1.1 例子演示

定义两个结构体：

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

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
//输出结构体大小
int main()
{
	printf("%u\n", sizeof(struct S1));
	printf("%u\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

输出结果：

分析结果：
按照正常思维，结构体的总大小应该为6个字节。

struct S1
{
	char c1;  //1个字节
	int  i;	  //4个字节	
	char c2; //1个字节
};

但是，由输出结果可知，即使是具有相同类型的成员变量的结构体，成员变量的顺序不相同，结构体的类型大小就会不相同，为什么会出现这样的现象？
答案是结构体内存对齐。

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1.2 结构体内存对齐规则

结构体内存对齐规则：

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变量大小的较小值

• visual studio中默认的值为8
• gcc编译器没有默认对齐数
• 如果编译器没有默认对齐数，则对齐数为成员变量的大小

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。

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1.3 例子分析

结构体S1内存对齐分析

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

成员变量	成员变量大小（单位：字节）	默认对齐数	对齐数	存储位置（偏移量）
c1	1	8	1	0
i	4	8	4	4~7
c2	1	8	1	8

存储c2后，此时大小为9个字节；
结构体的最大对齐数为4；
9不是4的倍数，则会再多分配3个字节，结构体S1大小为12个字节，为4的倍数。

利用库函数打印结构体S1的成员变量的偏移量:
库函数：offsetof()
头文件：

结构体S1在内存的存储方式:

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结构体S2内存分析:

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

成员变量	成员变量大小（单位：字节）	默认对齐数	对齐数	存储位置（偏移量）
c1	1	8	1	0
c2	1	8	1	1
i	4	8	4	4~7

存储i后，此时大小为8个字节；
结构体的最大对齐数为4；
此时8为4的倍数，则结构体S2的大小为8个字节

利用库函数打印结构体S1的成员变量的偏移量:

结构体S2在内存的存储方式:

二、存在内存对齐的原因

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；
   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，结构体内存对齐是拿空间换取时间。

在设计结构体时，即要满足内存对齐，又要节省空间时：
方法：让占用空间小的成员集中在一起。
例如：

//12个字节
struct S1
{
	char c1;
	int  i;
	char c2;
};

//8个字节
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

三、结构体内存对齐练习题

3.1 题目一

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

题目分析：

成员变量	成员变量大小（单位：字节）	默认对齐数	对齐数	存储位置（偏移量）
d	8	8	8	0~7
c	1	8	1	8
i	4	8	4	12~15

输出结果：

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3.2 题目二

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

//结构体嵌套
struct S4
{
	char c4;
	struct S3 s;
	double d4;
};
int main()
{
	printf("%u\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

题目分析：

成员变量	成员变量大小（单位：字节）	默认对齐数	对齐数	存储位置（偏移量）
c4	1	8	1	0
s	16	8	8	8~23
d4	8	8	8	24~31

输出结果：

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四、修改visual studio默认对齐数

修改方法：使用#pragma pack(对齐数)命令

#pragma pack(1)  //修改默认对齐数为1

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

#pragma pack() //还原vs默认的对齐数8

修改后的结果：

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总结

本篇文章介绍了结构体内存对齐的原因，以及结构体内存对齐的规则，最后介绍修改visual studio中默认的对齐数的方法。