C语言中结构体的内存对齐问题

最新推荐文章于 2022-10-20 11:50:51 发布

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本文详细介绍了C语言中结构体的内存对齐概念及其重要性，包括内存对齐的原理、目的以及如何实现对齐，并提供了避免内存对齐带来的空间浪费的方法。

关于C语言中结构体的内存对齐，要搞清楚四个问题：

1、什么是结构体内存对齐？
2、为什么要内存对齐？
3、如何对齐？
4、如何避免内存对齐的影响？

首先来看第一个问题：什么是结构体内存对齐？

先来看一段代码：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
struct S
{
    int i;
    char c;
    double d;
};

int main()
{
    struct S s;
    //printf("%d\n", offsetof(struct S, i));
    printf("%d\n", sizeof(s));
    return 0;
}

在windows环境下这段代码的输出结果是多少呢？如果你的答案是13，那么恭喜你成功的掉到了坑里，正确的答案是16！为什么会是16呢？请看下图解析：

这里写图片描述

如上图所示，结构体在内存中的存储方式跟我们想象中的不大一样，而是要遵守一定的原则，这种原则就是内存对齐，具体的原则内容会在下文提到。显而易见的的是结构体这样在内存中存储会浪费一定的空间（如图中黄色区域就是浪费掉的空间），既然浪费了空间，那为什么还要内存对齐？

接着来说第二个问题：为什么要内存对齐？

为什么要内存对齐呢？原因有两个:
1、使用平台的原因：不是在所有平台上都可以访问任意内存的地址，所以需要适当的进行偏移，偏移到我们可以访问的位置上进行数据存储。
2、内存对齐可以使访问速度提高：为了访问未对齐的内存，处理器需要两次内存访问；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。

怎么样来理解第二个原因呢？请看下图：
这里写图片描述

第二个问题理解清楚之后再来看第三个问题：如何对齐？

在此将阐述内存对齐的三个规则：
1、数据成员对齐规则：结构体中的第一个数据成员放在0偏移处，从第二个成员开始，每个数据成员存储的起始位置要从对齐数（该成员自身的大小和默认对齐数的较小值）的整数倍开始；
2、结构体作为成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储。）
3、收尾工作：结构体的总大小，必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要补齐。
了解清楚规则之后再看第一个问题中所举的例子就比较容易啦

最后我们来看最后一个问题：如何避免内存对齐的影响？

方法1、尽量将结构体中相同类型的数据集中到一起，这样做可以有效的节省空间。
例1：

struct test1
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

很容易得出该结构体的大小为12；
例2：

struct test2
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

很容易得出该结构体的大小为8；
可见将相同类型的结构体成员集中到一起可以有效的节省空间。
方法2、使用#pragma pack()来修改编译器的默认对齐数
使用指令#pragma pack(n)将编译器的默认对齐数改为n
使用指令#pragma pack()编译器将取消自定义字节对齐方式
vc/vs环境下的默认对齐数为–8
Liunx环境下的默认对齐数为–8

看如下例子：（在vs环境下）

#pragma pack(1)
struct test1
{
    charchar c2;
    int i;
};
#pragma pack()

ragma pack()
“`；；
很容易得出该结构体的大小为8而不是12