C语言结构体内存对齐

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C语言结构体内存对齐

CodeWinter   2022-06-03 我要评论

结构体的内存对齐

1、计算结构体的大小

struct S1
{
	char c1; // 1 byte,默认对齐数为8,所以c1的对齐数是1,第一个成员变量放在与结构体变量偏移量为0的地址处
	int i;   // 4 byte,默认对齐数为8,所以i的对齐数是4,所以i要放到偏移量为 4的整数倍 的地址处
	char c2; // 1 byte,默认对齐数为8,所以c2的对齐数是1,所以c2要放到偏移量为 1的整数倍 的地址处
	//最大对齐数是4
	//成员大小为9,不是最大对齐数4的整数倍,所以结构体总大小为12
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

原理分析:

【练习题】

// 练习1
struct S2
{
	char c1;  // 1 byte / 8,对齐数是1,
	char c2;  // 1 byte / 8,对齐数是1,
	int i;    // 4 byte / 8,对齐数是4,
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为8,是最大对齐数的整数倍,所以结构体总大小为8
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

// 练习2
struct S3
{
	
	char c;   // 1/8,对齐数是1
	int i;    // 4/8,对齐数是4
	double d; // 8/8,对齐数是8
	// 最大对齐数是8
	// 成员大小为16,是最大对齐数的整数倍,所以结构体总大小为16
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

// 练习3-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;      //  1/8,对齐数是1
	struct S3 s3; // 16 byte,【S3的最大对齐数是8】,所以s3要放到8的整数倍的地址处
	double d;     //  8/8,对齐数是8
	// 最大对齐数是8
	// 成员大小为32,是最大对齐数的整数倍,所以结构体总大小为32
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

2、结构体的对齐规则

第一个成员变量在与结构体变量偏移量为 0 的地址处。

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中默认对齐数为「8」,Linux中没有对齐数

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。

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。

3、为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料是这样说的:

  • 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。(那我们就要将数据对齐到能够访问的这些地址处)
  • 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。

4、总结

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

思考:那在设计结构体的时候,我们既要满足对齐,又要节省空间,如何做到:

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

// 例如:
struct S1
{
	char c1;  // 1/8,对齐数是1
	int i;    // 4/8,对齐数是4
	char c2;  // 1/8,对齐数是1
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为9,不是最大对齐数的整数倍,所以结构体总大小为12
};

struct S2
{
	char c1;  // 1/8,对齐数是1
	char c2;  // 1/8,对齐数是1
	int i;    // 4/8,对齐数是4
	// 最大对齐数是4
	// 成员大小为8,是最大对齐数的整数倍,所以结构体总大小为8
};

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了一些区别。

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