【C语言】结构体内存对齐：为什么你的结构体比想象中更大？

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前言：

在上一篇博客《结构体详解：声明、使用与优化技巧》中，我们讨论了结构体的声明、使用……然而，在实际开发中，结构体的内存布局往往隐藏着更微妙的细节——比如为什么一个看似简单的结构体却占用了意料之外的内存空间？这背后正是内存对齐在起作用。 本文将深入剖析结构体内存对齐的规则，结合实例分析对齐对程序性能与空间的影响，并分享如何通过合理设计结构体来优化内存使用。

一、对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

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. 其他成员的起始偏移量必须是对齐数的整数倍 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和 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。 知道了对齐规则，怎么来实战练习一下： 练习1：

struct S1
{
	char c1;
	int i;  
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

解析：（注意每个成员都有对齐数）

练习2：

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

解析：

在这里插入图片描述

练习3：

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

};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

解析：

在这里插入图片描述

练习4-结构体嵌套问题：

struct S3
{
	double d;
	char c;  
	int i;  
};
struct S4
{
	char c1;     
	struct S3 s3;
	double d;    
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

解析：

在这里插入图片描述

对于结构体对齐规则就到这，那为什么进行内存对齐？也就是为什么存在内存对齐呢？

二、为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是这样说的：

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。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。 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：练习1与练习2
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
}

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小（S1为12、S2为8）有了⼀些区别。

三、修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。 咱们可以来试一试：

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

这样的话，大小就为6了； 调试：

在这里插入图片描述

咱们也可以将默认对齐数修改回来：

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对1数，还原为默认
int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

总结

对齐是硬件友好的契约，更是跨平台的护城河。 下次当sizeof结果出乎意料时，不妨画个内存布局图——真相就在偏移量的数字里！