C語言中結(jié)構(gòu)體與內(nèi)存對齊的示例分析

這篇文章主要為大家展示了“C語言中結(jié)構(gòu)體與內(nèi)存對齊的示例分析”，內(nèi)容簡而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領(lǐng)大家一起研究并學(xué)習(xí)一下“C語言中結(jié)構(gòu)體與內(nèi)存對齊的示例分析”這篇文章吧。

一、引例

到底什么是結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊，我們用一段代碼來介紹一下

struct S1
{
	char c1;//1字節(jié)
	int a;//4字節(jié)
	char c2;//1字節(jié)
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	//這里打印12
}

先來解釋S1，結(jié)構(gòu)體S1中有2個(gè)char類型，1個(gè)int類型。那按道理應(yīng)該是占2*1+4=6個(gè)字節(jié)啊，為什么打印的是12呢？到這里，我們必須要來了解一下結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊的規(guī)則：

1.結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員永遠(yuǎn)放在結(jié)構(gòu)體起始位置偏移量為0的位置

對于偏移量你可以這樣理解：數(shù)組下標(biāo)為0的相對它自己偏移量為0，下標(biāo)為1的相對下標(biāo)為0的偏移量為1…
舉例說明：

S1第一個(gè)成員是c1，它會(huì)被放在結(jié)構(gòu)體起始位置偏移量為0的位置，如下圖紅色部分

2.從第二個(gè)成員開始，總是放在偏移量為一個(gè)對齊數(shù)的整數(shù)處,對齊數(shù)=編譯器默認(rèn)的對齊數(shù)和變量自身大小的較小值

對齊數(shù)=min(編譯器默認(rèn)的對齊數(shù),變量自身大小)
Linux-沒有對齊數(shù)，VS下對齊數(shù)默認(rèn)為8

我們?nèi)砸許1這個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行舉例，結(jié)構(gòu)體第二個(gè)成員是int類型的a,占4個(gè)字節(jié)，筆者VS環(huán)境下默認(rèn)對齊數(shù)是8，取兩者較小值是4，那a應(yīng)該放到偏移量為4的倍數(shù)上

放到4的倍數(shù)上也就說可以放在偏移量為4這里，偏移量為1，2，3的這3個(gè)空間就白白被浪費(fèi)了。而a是int型占4個(gè)字節(jié)，所以會(huì)一直占用到偏移量為7的位置。

接下來是結(jié)構(gòu)體的第三個(gè)成員，char類型的c2，c2占1個(gè)字節(jié)，VS環(huán)境下默認(rèn)對齊數(shù)是8，取較小值為1，也就是說只要是1的倍數(shù)的偏移量都可以放，我們緊接著放在a后面，也就是偏移量8的位置

那到這里結(jié)構(gòu)體3個(gè)成員都用完了啊，只有8個(gè)啊，為什么打印是12呢？這里就要涉及結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊的第3個(gè)規(guī)則

3.結(jié)構(gòu)體的總大小必須是各個(gè)成員的對齊數(shù)中最大的那個(gè)對齊數(shù)的整數(shù)倍

我們由前面講解知道結(jié)構(gòu)體三個(gè)成員c1,a,c2對齊數(shù)分別為1，4，1這三個(gè)中最大對齊數(shù)是4，總大小要為4的整數(shù)倍，那這時(shí)候肯定有小伙伴會(huì)問：我們現(xiàn)在不是對齊到8了嘛，8不是4的倍數(shù)嗎？注意！這里說的是空間總大小，而8是所謂的偏移量，偏移量是從0開始算的，到8已經(jīng)有9個(gè)空間了，所以我們這里空間要到12，也就是偏移量到11

（后面加上的三個(gè)空間用不到，但是由于規(guī)定還是算在結(jié)構(gòu)體總空間內(nèi)）

二、小試牛刀

我們再來看一道類似的題目

代碼如下（示例）：

struct S2
{
	char c1;//1字節(jié)
	char c2;//1字節(jié)
	int a;//4字節(jié)
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	//這里打印8
}

首先第一個(gè)結(jié)構(gòu)體成員是char類型的c1,由規(guī)則1，它會(huì)直接被放在偏移量為0的位置
（圖示灰色部分）

第二個(gè)成員是char類型的c2，占1字節(jié)，VS下默認(rèn)對齊數(shù)是8，取較小值是1，只要放在偏移量為1的倍數(shù)上即可（任意位置），緊跟著0，放在偏移量為1處（圖示紅色部分）

最后一個(gè)成員int類型的a，占4個(gè)字節(jié)，VS環(huán)境下默認(rèn)對齊數(shù)是8，取較小者4，放在偏移量為4的整數(shù)倍處，也就是4這里，然后由于int占4個(gè)字節(jié)所以一直占用到偏移量7處

再來看看規(guī)則3，結(jié)構(gòu)體的總大小必須是各個(gè)成員的對齊數(shù)中最大的那個(gè)對齊數(shù)的整數(shù)倍，也就是4的倍數(shù)，我們現(xiàn)在正好是占8個(gè)空間，8正好是4的倍數(shù)，所以就不用再往下浪費(fèi)空間了，打印出8

三、嵌套結(jié)構(gòu)體的特殊情況

代碼如下（示例）：

struct S3
{
	double d;//double占8字節(jié)，默認(rèn)對齊數(shù)8，取較小值，對齊數(shù)8
	char c;//對齊數(shù)1
	int i;//對齊數(shù)4
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
}

關(guān)于結(jié)構(gòu)體S3我們可以采用和前面S1、S2一樣的方法計(jì)算出來是占16個(gè)字節(jié)空間，我們這里重點(diǎn)討論S4，對S3有興趣的小伙伴可自行求解。

S4中的第一個(gè)成員c1，按規(guī)則1直接放在偏移量為0處，第二個(gè)成員s3怎么辦呢？這里涉及結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊的第四個(gè)規(guī)則：

如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對齊到自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍數(shù)處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍

s3這個(gè)結(jié)構(gòu)體三個(gè)成員最大對齊數(shù)是8，也就是要對齊到偏移量為8的倍數(shù)處，然后s3是占16個(gè)字節(jié)，所以一直占到偏移量23處（s3結(jié)構(gòu)體對齊數(shù)是本身s3結(jié)構(gòu)體三個(gè)成員中最大對齊數(shù)）

ps：在VS環(huán)境中，嵌套結(jié)構(gòu)體的最大對齊數(shù)超過8，仍然用8做最大對齊數(shù)（比默認(rèn)對齊數(shù)大了，取較小值就取默認(rèn)對齊數(shù)了）

S4最后一個(gè)成員double類型的d占8字節(jié)，默認(rèn)對齊數(shù)8，對齊數(shù)取8，然后放在偏移量為對齊數(shù)的整數(shù)倍處，正好往下放在24處，本身占8字節(jié)所以占到31

偏移量0-31共占32字節(jié)，S4中的成員c1,s3,d對齊數(shù)分別為1，8，8所以最大對齊數(shù)是8，32恰是8的倍數(shù)，所以這里不用再浪費(fèi)空間來滿足 “結(jié)構(gòu)體的總大小必須是各個(gè)成員的對齊數(shù)中最大的那個(gè)對齊數(shù)的整數(shù)倍”這個(gè)規(guī)則，結(jié)構(gòu)體總大小就是32

四、關(guān)于為什么存在內(nèi)存對齊

1.平臺(tái)原因（移植原因）：

不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定的類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常

2.性能原因：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（尤其是棧），應(yīng)盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅僅需要1次
總體來說：結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊是用空間換時(shí)間

以上是“C語言中結(jié)構(gòu)體與內(nèi)存對齊的示例分析”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家都有了一定的了解，希望分享的內(nèi)容對大家有所幫助，如果還想學(xué)習(xí)更多知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道！