C語言之結構體記憶體的對齊
C語言之結構體記憶體的對齊
大綱：
零.引例
一.結構體記憶體對齊規則
二.怎樣計算結構體的大小
三.設計結構體時要注意的方面
四.為什麼存在記憶體對齊
五.修改預設對齊數
C語言之結構體記憶體的對齊
大綱：
零.引例
一.結構體記憶體對齊規則
二.怎樣計算結構體的大小
三.設計結構體時要注意的方面
四.為什麼存在記憶體對齊
五.修改預設對齊數
在前面的章節中，我們談到了C語言中整數以及浮點數的儲存
今天，我們來談一談一些關于結構體記憶體的知識。
我們先來看一個例子：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
}; 大家來猜猜這個結構體S1的記憶體是多少？
相信會有人給出 6 的結果，他們或許是這樣想的，兩個 char 類型分别為一個位元組，一個 int 類型又為4個位元組，加起來剛好為6個
但是
結果真是如此嗎？
我們來看看運作結果：
為什麼呢，接下來我們就引出正文。
一.結構體記憶體對齊規則
首先，正如引例所示，結構體的記憶體并不是簡簡單單的将結構體各個成員的大小相加。
結構體的大小往往遵循着結構體的對齊規則：
- 第一個成員在與結構體變量偏移量為0的位址處。
- 其他成員變量要對齊到某個數字（對齊數）的整數倍的位址處。
- 結構體總大小為最大對齊數（每個成員變量都有一個對齊數）的整數倍。
- 如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍。
這裡要注意的一點就是要解釋一下這個對齊數的概念
對齊數：編譯器預設的一個對齊數 與 該結構體變量成員自身大小的較小值。
注：
不是所有的編譯器都有自己預設的對齊數。
在VS下其預設的對齊數為8
在linux下的預設值為4
二.怎樣計算結構體的大小
在講計算之前，我們繼續來看一看上面的那個例子：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("該結構體成員 c1 開始的位置為第 %d 個位元組\n", offsetof(struct S1, c1));
printf("該結構體成員 i 開始的位置為第 %d 個位元組\n", offsetof(struct S1, i));
printf("該結構體成員 c2 開始的位置為第 %d 個位元組\n", offsetof(struct S1, c2));
printf("該結構體所占的記憶體空間為 %d 個位元組\n", sizeof(struct S1));
return 0;
} 注：
宏 offsetof() 可以計算出結構體各成員所相對開始位置的一個偏移量。
偏移量 ： 我們可以了解為把結構體變量第一個成員所儲存的第一個位置置于0，以此遞增
我們來看看結果：
這是為什麼呢？
我們來看看上面所提到的結構體記憶體對齊規則：
然後我們來看示意圖：
此時，關于結構體的大小，我們應該清楚了不少，接下來，我們繼續來看幾道例題：
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
return 0;
} 我們看到，S1與S2的差別僅僅隻是調換了一下各成員間的順序，那它所占的記憶體還是剛才的值嗎：
運作結果：
我們繼續來分析一下：
趁此機會，我們再來鞏固一下：
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
return 0;
} 它的結果會是多少呢？
不知道大家作對了嗎？
解析：
首先 double 類型占8個位元組
char 又展覽接下來的一個
而 int 的對齊數為 4，是以空3個位元組從12開始
而這個結構體的最大對齊數為8
是以該結構體占 2*8 = 16個位元組
最後，我們再來看一道嵌套結構體的例題：
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;
} 它的結果又為多少呢？
解析：
我們先來看看規則 4： 如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，
結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍
S3的最大對齊數為 8，它的大小為 16 個位元組
首先，毋庸置疑的是 char 先放到首位
接下來因為S3的對齊數為 8，是以S3放在了以位置8開始的16個位元組
最後是double，對齊數為8，是以放在了24的位置
最後，該結構體的大小為 4*8 = 32 個位元組
在進行結構體所占大小的計算中，我們又可以得到一個基本程式設計常識：
三.設計結構體時要注意的方面
在我們進行結構體的設計中，我們可以把一些所占空間小的，來湊到一起，提高資源的使用率。
正如上文所提到的例1與例2，結構體成員完全相同，但順序不同，兩個結構體的大小也截然不同
//例1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
//例2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
return 0;
} 四.為什麼存在記憶體對齊
對于這個原因，目前話沒有一種完全正确的答案，但是：
大部分的參考資料都是如是說的：
1. 平台原因(移植原因)：
不是所有的硬體平台都能通路任意位址上的任意資料的；
某些硬體平台隻能在某些位址 處取某些特定類型的資料，否則抛出硬體異常。
2. 性能原因：
資料結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。
原因在于，為了通路未對齊的記憶體，處理器 需要作兩次記憶體通路；而對齊的記憶體通路僅需要一次通路。
對于原因而我們來看一個示意圖：
五.修改預設對齊數
我們通常使用如下的預處理指令來修改編譯器的預設對齊數：
#pragma pack()
如果（）裡面不加數字，則預設為編譯器的預設對齊數
我們修改的時候，隻需在（）裡加一個數字就行
取消的時候再添加一次 #pragma pack() 即可
注：
再（）裡添加的數字，我們通常加的都是2的多少次方
下面來舉一個執行個體：
#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//設定預設對齊數為8
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消設定的預設對齊數，還原為預設
#pragma pack(1)//設定預設對齊數為8
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消設定的預設對齊數，還原為預設
int main()
{
//輸出的結果是什麼？
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
return 0;
} 由此可見，我們也可以通過修改預設對齊數來節約 結構體使用的空間。
關于結構體記憶體的講解便到此為止。
筆者水準有限，若有錯誤之處，還望多多指正。
若有想回憶 C語言中整數以及浮點數是怎樣儲存的讀者，可以參見 ：C語言之資料在記憶體中的存儲
發表于
2021-03-07 22:08
guguguhuha
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