结构体为何要进行对齐以及如何对齐

干饭小子

已于 2022-08-16 11:59:04 修改

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分类专栏： c语言学习文章标签： c语言

于 2022-08-14 19:41:52 首次发布

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先说如何对齐，再讲讲其背后的原理。对齐规则在网上和书上都很容易找到。无非就是以下几点。

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。
5、结构体中定义变量时最好占用字节数从小到大依此定义，可以使得结构体占用空间最小。

用几个例子来解释几条规则：

struct st{

    int8_t  b;

    int32_t a;

char c;

float d;

    char e;

};

根据第一条规则，int8从偏移量为0的地址开始存。

根据第二条规则，int32是四个字节大小，所以对齐数是4。所以他开始的地址应该是4的整数倍，依次存储的话，那就只能从4位置开始了，中间有三个空格用于对齐。接着存char,char占一个字节，所以对齐数是1，前面已经用了8个字节了，8是1的倍数，所以紧接着存放char.最后存float,float占4个字节，最大对齐数4，abc三个变量物理存储已经连续占用了了9（1+3+4+1）个字节，9不是4的倍数，最近的12是4的倍数，所以float从偏移量12位置开始存。最后一个char占一个字节，对齐数1，目前已经连续占用的物理空间是（1+3+4+1+3+4）16个，16是1的倍数，所以紧接着存char。

根据第三条规则，目前已经连续占用的物理空间是（1+3+4+1+3+4）17个字节。st结构体中最大对齐数是4，17不是4的倍数，最近的20是4的倍数。所以该结构体最后又占用了3个空间。

最后总结，一共占用了20个字节。

下图一个空格表示一个字节

接下来讲嵌套

struct sstt{

char a;

struct {

char b;

int c;

} pp;

float d;

};

先看pp结构体占用几个字节，b占用1个字节，占用4个字节，但是1不是4的整数倍，所以中间空了3个字节，一共8个字节，这个结构体中最大对齐数是int c(4个字节），8是4的倍数。最后得出pp一共占用8个字节。

根据第四条规则、然后再看sstt,char a占一个字节，但是pp从哪里开始呢。pp结构体中最大对齐数是int c(4个字节），所以要从4的倍数开始存，那就是char a后面再空3个空格存pp，此时1+3+8，到目前为止一共占用了12个字节，接着存float,float占4个字节，即接着存float.所以一共是16个字节。最后整结构体包括嵌套结构体中最大的对齐数是4，而16是4的倍数，正好。

最后总结，一共占用了16个字节。

如果结构体中的成员包括数组或者其他结构体，在数据对其时，要以结构体中最深层的基本数据类型为准。即看数组存的什么数据类型。

借此机会我们一起把第五条规则讨论一下。

struct sstt{

char a;

  int b[2][3];

char c;

};

struct sstt1{

int b[2][3];

char a;

  char c;

};

sstt结构体，char占一个字节，b基本类型是int占4个字节，所以要空3个字节再存b,b一个是2*3*4即24个字节，目前为止一共1+3+24=28个字节，c占1个字节，正好是28倍数，所以紧接着再存c，目前一共占有29个字节。由于最大对齐数是4，即一个int大小，29不是4的倍数，补3个空字节。最2后得出占29+3=32个字节。

sstt1结构体，b占2*3*4=24字节，a占1个字节，24是1的倍数，所以紧接着存a,那目前位置一共占用1+24=25字节。同理再存c。所以目前为止占26个字节，但是最大对对齐数是4，即一个int大小，所以要再补2个字节，最有一共占28个字节。

所以得出第五条规则，按从小到大定义变量，占用字节最少。

为什么？？？？？？？要这么浪费空间？？？？？

因为在32位操作系统（虽然64位操作系统，但是为了保证兼容性，编程仍然主要考量32位）中，数据总线是32位，地址总线是32位。地址总线是32位，意味着寻址空间是按4递增的；数据总线32位意味着一次可读写4byte。

想要具体了解什么是地址总线和数据总线可以看下面链接

(44条消息) 8086/8088CPU内部结构，引脚图，物理地址与逻辑地址_Always Fighting的博客-优快云博客_8088cpu

简单介绍一下，以8086CPU为例，注意这是一个16位的芯片,而我们大多数使用的是32或64位cpu

地址/数据分时复用引脚AD15-AD0（39，2-16）：传送地址时单向输出，传送数据时双向输入或输出。地址和数据公用引脚，分时复用。这16个引脚是一起工作的。

视线拉回我们32位cpu，32位/8位=4字节，所以cpu一次工作可以取到4个字节的数据。那以读取的角度排布我们内存的话可以像下面这样。一次cpu读一行数据。

如果下面的结构体不对齐会发生什么事情，就像上面中间那张图，如果需要读取到完整的i需要读取两次（或者说两行）然后拼接再一起，I/O操作是很耗时的，这是很浪费时间的。如果需要更快读到数据，那一个数据最好是存在一整行，像上面第三张图那样。

struct stu1
{
char c1;
int i;
char c2;
}

可见如果想要存一个int类型的话，那int变量的偏移量必须是4的倍数，如果是一个double或者 long long型那偏移量一定是8的倍数。即向下面的图。int类型变量可以从0、4、8、12位置开始存，short int类型可以从0、2、4、6、8、10、12、14开始存，double可以从0，8位置开始存。可能你对double类型有疑问，为什么4不行，反正double（8位）占两行，在哪都在占，我想这可能是考虑到64位机器，64位一次可以读8个字节，如果存4位置肯定会遇到换行，像下面第二张图。