结构体内存对齐（结构体大小的计算）

learning 发布于2021-09-06 15:02 / 436人阅读

摘要：结构体内存对齐规则第一个成员在与结构体变量偏移量为即起始位置的地址处。结构体同理可算出其大小为字节。总体来说结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

文章目录

结构体内存对齐规则
结构体大小计算
为什么存在内存对齐？
默认对齐数的修改

结构体内存对齐规则

我们知道，每种类型都有相应的大小，如int型占4字节，double型占8字节，char型占1字节；那么结构体也为一种类型，它的大小为多少呢？
我们可以举个栗子看一看

#includestruct S1{	char c1;	int i;	char c2;};struct Z1{	double d;	char c;	int i;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct S1));	printf("%d/n", sizeof(struct Z1));	return 0;}

这里算出的struct S1、struct S2 类型的大小是多少？是不是结构体中的每个变量类型的大小之和呢？

依据程序的结果很显然可以看出结构体类型大小并不是其中的变量类型的大小之和，那么如何计算结构体大小，首先得掌握结构体内存对齐规则。

结构体内存对齐规则：

1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0（即起始位置）的地址处。
偏移量：把存储单元的实际地址与其所在段的段地址之间的距离称为段内偏移，也称为“有效地址或偏移量”；亦：存储单元的实际地址与其所在段的段地址之间的距离。本质其实就是“实际地址与其所在段的段地址之间的距离”

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的较小值。（VS中默认对齐数为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，即该成员的大小）的整数倍个字节。

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。

结构体大小计算

对于如上程序中定义的结构体 struct S1,根据结构体内存对齐规则可得结构体中成员的内存分配如图：

解释：S1类型中，第一个成员 c1 在起始位置（如上红色内存块），第二个成员 i 的大小为4字节，与默认对齐数相比后得到的较小值为4，所以成员 i 对齐到偏移量为4的整数倍的地址处（如上蓝色内存块），同理得第3个成员应对齐到偏移量为1的整数倍的地址处（如上紫色内存块），而三个成员中最大的对齐数为4，所以 struct S1 的总大小为4的整数倍个字节，满足成员内存分配好的情况下结构体的总大小就为12个字节。
结构体 struct Z1同理可算出其大小为16字节。

那么对于结构体中嵌套有结构体的结构体大小如何计算？
看如下栗子：

#includestruct S1{	char c1;	int i;	char c2;};struct S2{	char x;	struct S1 s;	double y;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct S2));	return 0;}

因为 struct S2 中嵌套有结构体成员 s , s 的类型为struct S1（同上个栗子中的struct S1一样）,该类型中所有成员对齐数中的最大值为4，所以 s 成员对齐到4的整数倍处；因为 struct S1 和 struct S2 中所有成员的对齐数的最大值为 8，所以在满足 struct S2 中每个成员内存分配好的情况下，整个结构体的大小为 8 的整数倍（单位为字节），所以最终struct S2 的大小为24字节。
图解如下：

为什么存在内存对齐？

大部分的参考资料都是如是说的：

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。
总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

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 M{   char c1;   int i;   char c2;};struct N{  char c1;  char c2;  int i;};int main(){	printf(" %d/n", sizeof(struct M));	printf(" %d/n", sizeof(struct N));	return 0;}

根据程序结果可见 M 和 N 类型的成员一模一样，但是 M 和 N 所占空间的大小有了一些区别,原因就在于 N 类型中空间占用较小的成员集中在一起，更加提高了空间的利用率。

默认对齐数的修改

要修改编译器的默认对齐数，我们需要借助于以下预处理指令：

#pragma pack()

该指令括号中填入相应的数字就可以将默认对齐数修改为该数字，如果只使用该预处理指令，不在括号内填写数字，则为恢复为编译器默认的对齐数。
如下：

#include#pragma pack(2)//将默认对齐数修改为2struct S1{	char c1;//大小为1字节，对齐到起始位置	double c2;//大小为8字节，默认对齐数为2，因为 2<8 所以该成员对齐到偏移量为2的倍数的位置	int i;//大小为4字节，2<4 所以该成员也对齐到偏移量为2的倍数的位置};#pragma pack()#pragma pack(6)//修改默认对齐数为6struct S2{	char c1;//对齐到起始位置	double c2;//因为 8>6,所以该成员对齐到偏移量为6的倍数的位置	int i;//因为 6>4,所以该成员对齐到偏移量为4的倍数的位置};#pragma pack()int main(){	printf(" %d/n", sizeof(struct S1));	printf(" %d/n", sizeof(struct S2));	return 0;}

可以看出，修改默认对齐数后，再根据对齐规则求出的结构体大小就会有所不同。

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