如何计算结构体变量的大小（结构体内存对齐）

   

目录

一、对齐规则

二、结构体大小计算三步曲

第一步：确定对齐数

第二步：根据对齐数确定每个成员相对位置

第三步：通过最大对齐数来确定结构体最终大小

三、内存浪费

四、为什么要存在内存对齐

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    在C语言中，变量由于类型不同在内存中开辟空间的大小不同，而结构体类型是一种特殊的变量类型，其可以是多个类型的集合，甚至结构体嵌结构体类型，那么结构体类型变量占内存空间的大小该如何计算呢？这也是一个特别热门的考点。

一、对齐规则

1.结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为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变量大小的较小值
        VS 中默认的值为 8 
        Linux中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3.结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有⼀个对齐数，所有对齐数中最大的）的
整数倍。

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

二、结构体大小计算三步曲

我们由此结构体举例说明（vs环境）：

struct S3
{
    char c;
    double d;
    int i;
};

第一步：确定对齐数

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：根据对齐数确定每个成员相对位置

结构体变量地址为零下标，结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，其他成员变量要对齐到对齐的整数倍的地址处。

第三步：通过最大对齐数来确定结构体最终大小

结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的
整数倍。

看上图：紫色部分（double d成员占用）+红色部分（char c成员占用）+绿色部分（int i成员占用）+红色与紫色之间的白色部分总共占用了20个字节的内存空间。而20并非最大对齐数8的整数倍，那么取8大于20的最小整数倍24为结构体最终大小。

三、内存浪费

        由于对齐规则的存在，导致结构体虽然成员变量相同，但很可能会出现结构体大小不同的情况造成内存浪费。

        我们可以在构建结构体时，将每个成员变量的间隙在保证符合对齐规则的情况下尽量减小，这是一种合理且推荐使用的方法。

        当然也可以使用#pragma pack( )的预处理来修改默认对齐数以达到减小空隙的效果，但是不推荐。详细见：C语言中#pragma pack(1)的用法_#pack(1)-优快云博客

#include <stdio.h>

#pragma pack(4)//设置默认对齐数为4
struct S1
{
	double a;//8/4->4
	int b;//4/4->4
	char c;//1/4->1
};//12
#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 a;//1/1->1
	int b;//4/1->1
	char c;//1/1->1
};//6
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//打印结果为16
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//打印结果为6
	return 0;
}

四、为什么要存在内存对齐

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。假设一个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。