C语言——结构体内存对齐

结构体内存对齐

大家有没有想过这样的问题，结构体的成员变量在内存中如何存放？是否就是按照顺序依次排列吗？

让我们简单看一下下面的代码：

#include <stdio.h>

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

int main(){
	printf("%d\n ", sizeof(struct A));
	return 0;
}

根据直觉，感觉结果应该是1+4+1=6

但是结果如下：

为什么会出现这种情况呢？

这就要提到今天的重点：结构体的内存对齐

一、什么是内存对齐？

　结构体内存对齐：元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始。

说简单点，就是成员变量按照他们的定义顺序依次存放，但是由于种种原因并不是挨紧紧，而可能出现中间有空隙的情况。

而这种种原因是什么呢？这就是我们要提到的结构体的对齐规则：

1、第一个成员在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中的较小值，VS中默认对齐数是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，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。

 

掌握了这些规则，我们现在来看几个实例：

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

struct S2{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S3{
	char c1;
	struct S2 s2;
	double d;
};

sizeof(struct S1) , sizeof(struct S2) , sizeof(struct S3) 分别为多大？

让我们依次来分析（在VS环境中）

S1：c1根据规则1填充在结构体变量首部第0个字节的位置；根据规则2 ，i 成员的对齐数应该是vs默认对齐数8和自身大小4中的较小值，也就是4，而成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处，所以 i 应该在第4个字节的位置（中间浪费了3个字节的位置）；c2的对齐数是1，所以可以放在 i 之后紧挨着的第8个字节的位置，根据规则3，结构体总大小为最大对齐数的整数倍，也就是 i 的对齐数4的整数倍，所以c2之后必须得浪费掉3个字节来取整；空间分布如下图，所以S1的大小为1+3+4+1+3=12。

S2：同上，我们给出内存空间的分布，由下图知S2的大小为16。

S3：sizeof(struct S3)=1+7+16+8=32

验证结果

二、为什么要内存对齐？

1、平台原因（移植原因）：不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据；某些硬件平台（例如嵌入式）只能在某些地址处取某些特定的类型数据，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，处理器需要做两次访问；而内存对齐访问只需要一次。

简单的讲：这是一种拿空间换时间的做法。

三、修改默认对齐数

我们依靠预处理指令 #pragma pack()

请看下面一段代码

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//修改默认对齐数为1
struct S1{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S3{
	char c1;
	struct S2 s2;
	double d;
};
#pragma pack()//取消对默认对齐数的设置，还原为默认
int main(){
	printf("sizeof(S1) = %d\n", sizeof(struct S1));
	printf("sizeof(S2) = %d\n", sizeof(struct S2));
	printf("sizeof(S3) = %d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

此时执行的结果为：