C语言结构体内存对齐-优快云博客

本文详细解析了C语言中结构体的内存对齐原理，包括对齐的基本原则及其实现过程，并通过实例演示了如何计算结构体的实际内存占用。

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原文地址:

首先我们先看看下面的C语言的结构体：

[cpp]view plaincopy 
   
 
   
 typedef struct MemAlign  
 {  
     int a;  
     char b[3];  
     int c;  
 }MemAlign;  

以上这个结构体占用内存多少空间呢？也许你会说，这个简单，计算每个类型的大小，将它们相加就行了，以32为平台为例，int类型占4字节，char占用1字节，所以：4 + 3 + 4 = 11，那么这个结构体一共占用11字节空间。好吧，那么我们就用实践来证明是否正确，我们用sizeof运算符来求出这个结构体占用内存空间大小，sizeof(MemAlign)，出乎意料的是，结果居然为12？看来我们错了？当然不是，而是这个结构体被优化了，这个优化有个另外一个名字叫“对齐”，那么这个对齐到底做了什么样的优化呢，听我慢慢解释，再解释之前我们先看一个图，图如下：

相信学过汇编的朋友都很熟悉这张图，这张图就是CPU与内存如何进行数据交换的模型，其中，左边蓝色的方框是CPU，右边绿色的方框是内存，内存上面的0～3是内存地址。这里我们这张图是以32位CPU作为代表，我们都知道，32位CPU是以双字（DWORD）为单位进行数据传输的，也正因为这点，造成了另外一个问题，那么这个问题是什么呢？这个问题就是，既然32位CPU以双字进行数据传输，那么，如果我们的数据只有8位或16位数据的时候，是不是CPU就按照我们数据的位数来进行数据传输呢？其答案是否定的，如果这样会使得CPU硬件变的更复杂，所以32位CPU传输数据无论是8位或16位都是以双字进行数据传输。那么也罢，8位或16位一样可以传输，但是，事情并非像我们想象的那么简单，比如，一个int类型4字节的数据如果放在上图内存地址1开始的位置，那么这个数据占用的内存地址为1～4，那么这个数据就被分为了2个部分，一个部分在地址0～3中，另外一部分在地址4～7中，又由于32位CPU以双字进行传输，所以，CPU会分2次进行读取，一次先读取地址0～3中内容，再一次读取地址4～7中数据，最后CPU提取并组合出正确的int类型数据，舍弃掉无关数据。那么反过来，如果我们把这个int类型4字节的数据放在上图从地址0开始的位置会怎样呢？读到这里，也许你明白了，CPU只要进行一次读取就可以得到这个int类型数据了。没错，就是这样，这次CPU只用了一个周期就得到了数据，由此可见，对内存数据的摆放是多么重要啊，摆放正确位置可以减少CPU的使用资源。

那么，内存对齐有哪些原则呢？我总结了一下大致分为三条：
第一条：第一个成员的首地址为0
第二条：每个成员的首地址是自身大小的整数倍
第二条补充：以4字节对齐为例，如果自身大小大于4字节，都以4字节整数倍为基准对齐。
第三条：最后以结构总体对齐。
第三条补充：以4字节对齐为例，取结构体中最大成员类型倍数，如果超过4字节，都以4字节整数倍为基准对齐。（其中这一条还有个名字叫：“补齐”，补齐的目的就是多个结构变量挨着摆放的时候也满足对齐的要求。）

上述的三原则听起来还是比较抽象，那么接下来我们通过一个例子来加深对内存对齐概念的理解，下面是一个结构体，我们动手算出下面结构体一共占用多少内存？假设我们以32位平台并且以4字节对齐方式：

[cpp]view plaincopy 
   
 
   
 #pragma pack(4)  
 typedef struct MemAlign  
 {  
     char a[18];  
     double b;     
     char c;  
     int d;    
     short e;      
 }MemAlign;  

下图为对齐后结构如下：

我们就以这个图来讲解是如何对齐的：
第一个成员（char a[18]）：首先，假设我们把它放到内存开始地址为0的位置，由于第一个成员占18个字节，所以第一个成员占用内存地址范围为0～18。
第二个成员（double b）：由于double类型占8字节，又因为8字节大于4字节，所以就以4字节对齐为基准。由于第一个成员结束地址为18，那么地址18并不是4的整数倍，我们需要再加2个字节，也就是从地址20开始摆放第二个成员。
第三个成员（char c）：由于char类型占1字节，任意地址是1字节的整数倍，所以我们就直接将其摆放到紧接第二个成员之后即可。
第四个成员（int d）：由于int类型占4字节，但是地址29并不是4的整数倍，所以我们需要再加3个字节，也就是从地址32开始摆放这个成员。
第五个成员（short e）：由于short类型占2字节，地址36正好是2的整数倍，这样我们就可以直接摆放，无需填充字节,紧跟其后即可。
这样我们内存对齐就完成了。但是离成功还差那么一步，那是什么呢？对，是对整个结构体补齐，接下来我们就补齐整个结构体。那么，先让我们回顾一下补齐的原则：“以4字节对齐为例，取结构体中最大成员类型倍数，如果超过4字节，都以4字节整数倍为基准对齐。”在这个结构体中最大类型为double类型（占8字节），又由于8字节大于4字节，所以我们还是以4字节补齐为基准，整个结构体结束地址为38，而地址38并不是4的整数倍，所以我们还需要加额外2个字节来填充结构体，如下图红色的就是补齐出来的空间：

到此为止，我们内存对齐与补齐就完毕了！接下来我们用实验来证明真理，程序如下：

[cpp]view plaincopy 
   
 
   
 #include <stdio.h>  
 #include <memory.h>  
   
 // 由于VS2010默认是8字节对齐，我们  
 // 通过预编译来通知编译器我们以4字节对齐  
 #pragma pack(4)  
   
 // 用于测试的结构体  
 typedef struct MemAlign  
 {  
     char a[18]; // 18 bytes  
     double b;   // 08 bytes   
     char c;     // 01 bytes  
     int d;      // 04 bytes  
     short e;    // 02 bytes  
 }MemAlign;  
   
 int main()  
 {  
     // 定义一个结构体变量  
     MemAlign m;  
     // 定义个以指向结构体指针  
     MemAlign *p = &m;  
     // 依次对各个成员进行填充，这样我们可以  
     // 动态观察内存变化情况  
     memset( &m.a, 0x11, sizeof(m.a) );  
     memset( &m.b, 0x22, sizeof(m.b) );  
     memset( &m.c, 0x33, sizeof(m.c) );  
     memset( &m.d, 0x44, sizeof(m.d) );  
     memset( &m.e, 0x55, sizeof(m.e) );  
     // 由于有补齐原因，所以我们需要对整个  
     // 结构体进行填充，补齐对齐剩下的字节  
     // 以便我们可以观察到变化  
     memset( &m, 0x66, sizeof(m) );  
     // 输出结构体大小  
     printf( "sizeof(MemAlign) = %d", sizeof(m) );  
 }  