c语言之内存对齐、结构体内存大小详解

结构体类型对我们来说并不陌生，然而，关于结构体内存的大小，也可以说是内存对齐吧，一直是个非常经典的问题，很容易出现，那么跟着博主来一起了解结构体的存储方式吧！

一.结构体内存对齐规

并不是类型相加便可以得到的，而是遵循结构体内存对齐规则，如下：

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。
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。

**注：VS中的默认对齐数为8，不是所有编译器都有默认对齐数，当编译器没有默认对齐数的时候，成员变量的大小就是该成员的对齐数。

二.结构体大小计算实例

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

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

struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

//结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

我们可以根据以下步骤思考：

第一步：找出每个成员变量的大小将其与编译器的默认对齐数相比较，取其较小值为该成员变量的对齐数。
第二步：根据每个成员对应的对齐数画出它们在内存中的相对位置.
三步：通过最大对齐数决定最终该结构体的大小。

我们以s4举例：
第一个变量是char类型，大小为1字节；第二个变量是strct s3，是16个字节。以对齐数（VS2022编译器默认的对齐数8 与 该成员大小16的较小值8。）为单位进行补齐，将char补齐为8个字节；第三个变量是double，为8个字节。最大对齐数为8，即要满足为8的整数倍。
共占用8+16+8==32字节。

三.为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是如是说的:

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。

四.设计结构体的技巧

其实在我们设计结构体的时候，如果结构体成员的顺序设计得合理的话，是可以避免不必要的内存消耗的。
两个结构体的成员变量相同，但是成员变量的顺序不同，可能就会出现结构体的大小不同的情况：

struct S1
{
 char a;
 char b;
 int c;
};//结构体1
//所占字节8

struct S2
{
 char a;
 int c;
 char b;
};//结构体2
//所占字节12

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小却有所不同。我们可以看到把占用空间少的成员集中在前要比其他情况省空间
由此可见，我们该怎样去设计结构体才是最优的呢？
答案是：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

五.修改默认对齐数

我们知道VS2022的默认对齐数是8，既然是默认，那就一定有办法去修改，我们继续看：
预处理指令：pragma
具体是如何实现的呢？

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
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

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

结果如下

可以看到，我们成功修改了默认对齐数，同时当#pragma pack()中不填写数字时，系统会重置对齐数为系统默认的对齐数。