C | 结构体内存对齐

啊我摔倒了..有没有人扶我起来学习....

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文章目录

• 前言
• 一、结构体内存对齐是什么？
• 二、认识结构体内存对齐
• • 1. 先来一个思考
  • 2. 用offsetof协助一手
  • 3. 研究对齐规则
• 三、为什么要有结构体内存对齐？
• • 1. 存在的必要
  • 2. 修改默认对齐数
• 四、小小的总结

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前言

结构体内存对齐历来是C语言学习过程中的重点，其目的是通过牺牲空间来换取时间，但是理解起来一点也不难，那我们就，学学？

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一、结构体内存对齐是什么？

这是一种结构体存储在内存里的一套规则，具体如下：

1. 结构体的第一个成员直接对齐到相对于结构体变量起始位置为0的偏移处
2. 从第二个成员开始，要对齐到某个【对齐数】的整数倍的偏移处
   对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值
   VS：8
   Linus环境默认不设对齐数（对齐数是结构体成员的自身大小）
3. 结构体的总大小，必须是最大对齐数旳整数倍
   每个结构体成员都有一个对齐数，其中最大的对齐数就是最大对齐数
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

好了，是不是啥都没看懂？别慌，下面开始正餐

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二、认识结构体内存对齐 1. 先来一个思考

#include

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

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

• 路飞：以上代码的输出结果是什么？
• 贝吉塔：
  
• 路飞：那让我们运行代码看看！
  
• 贝吉塔：？？？？？？？？？？
• 贝吉塔：这是怎么回事？！

2. 用offsetof协助一手

• 为了让我们深入了解，我们先学一个宏：

#include 
offsetof

• 它是用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量。起始位置就是结构体在内存中刚开始存储的那个字节，我们假设为0，偏移量就是相对于0偏移几个字节，比如偏移量是3。
  
• 我们用它计算一下

#include 
#include 

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

int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1,c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1,i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1,c2));

	return 0;
}

• 输出结果为

成员	Value
c1	0
i	4
c2	8

• 那我们就来看看究竟是怎么一回事~

3. 研究对齐规则

• 根据上述结果，struct s1的成员一共占12个字节，结合偏移量，那么它们在内存中应该是这样存放的
  
• 说明其中有些空间是浪费掉的
• 我们继续观察上图：

1. 参考内存对齐规则1（结构体的第一个成员直接对齐到相对于结构体变量起始位置为0的偏移处）得出，c1确实在0偏移量处
2. 参考内存对齐规则2（从第二个成员开始，要对齐到某个【对齐数】的整数倍的偏移处），由于博主使用的是VS，默认对齐数为8，而每个成员自身大小与默认对齐数进行比较，较小值就是该成员的对齐数了，因此列出下表

成员	自身大小	默认对齐数	对齐数（较小值）
c1	1	8	1
i	4	8	4
c2	1	8	1

因此，i的对齐数为4，所以它存储的时候不能紧接在c1的背后，只能从偏 移量为4（对齐数的整数倍）处开始存储，往后占据4个字节

3. 然后c2就紧接在i后边存储，此时偏移量为8，因为c2的对齐数是1嘛，偏移量8不就是1的整数倍嘛
4. 再参考内存对齐规则3（结构体的总大小，必须是最大对齐数旳整数倍）可知，要先在结构体成员中找出对齐数的老大，struct S1里老大是4，那么4就是最大对齐数，此时结构体总大小就得是4的整数倍，而此时c2存储完之后是在偏移量为8处，struct S1一共占用了9个字节，所以必须往后开辟空间，即使浪费也在所不惜

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那么用struct S2练练手吧，计算出结构体的大小~

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

答案是8

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趁热打铁，我们继续！

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

答案是16

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扶我起来！我还要继续

struct S4
{
	char c4;
	struct S3 s3;
	double d4;
};

• 这个就有点难度了，不怕，我们还有对齐规则4（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），看起来挺绕，其实说白了都是找最大对齐数，细心一点就很容易了

  此时偏移量8至23存储的其实就是s3，只是s3里面又存储了d、c、i

答案是32

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三、为什么要有结构体内存对齐？ 1. 存在的必要

• 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。
• 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。

针对性能原因我们试着解释一下

假设每次访问内存4个字节，不对齐的话访问i时需要两次

• 所以说结构体内存对齐是用空间换时间的做法

2. 修改默认对齐数

• 假如你就是不想浪费空间，咱可以用下列代码取消默认对齐数

#pragma pack(1)

• 其实原理就是设置括号里的数字为新的默认对齐数，设为1的话相当于没有对齐的概念，所以同样可以设成其他数字（一般是2的整数倍），但是使用后想恢复的话，再用一次

#pragma pack()

• 此时括号里不填

四、小小的总结

其实多尝试比较的话是可以看出来，拥有同样成员的结构体，所占用的内存是不一样的

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

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

刚刚一起分析过的，struct S1大小是12，struct S2是8，通过观察，以后写结构体，尽量把占用内存较小的变量放在前面

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