摘要：最近有粉絲說(shuō)在筆試的時(shí)候，經(jīng)常遇到求結(jié)構(gòu)體字節(jié)數(shù)的問(wèn)題，做完后不知道自己寫(xiě)對(duì)了沒(méi)。這篇文章就來(lái)介紹一下結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的計(jì)算方法。不知道你們筆試的時(shí)候有沒(méi)有遇到這種題目呢？
在C語(yǔ)言中，結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類型（如數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合等）的數(shù)據(jù)單元。在結(jié)構(gòu)中，編譯器為結(jié)構(gòu)的每個(gè)成員按其自然邊界（alignment）分配空間。各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同。
為了使CPU能夠?qū)ψ兞窟M(jìn)行快速的訪問(wèn),變量的起始地址應(yīng)該具有某些特性，即所謂的”對(duì)齊”。比如4字節(jié)的int型，其起始地址應(yīng)該位于4字節(jié)的邊界上，即起始地址能夠被4整除。
當(dāng)我們?cè)贑語(yǔ)言中定義結(jié)構(gòu)體時(shí)，編譯器會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體的成員進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，以提高訪問(wèn)效率和節(jié)約內(nèi)存。如果沒(méi)有對(duì)齊的話，CPU在取數(shù)的時(shí)候，會(huì)花更多的指令周期。
一個(gè)32位系統(tǒng)，假設(shè)有個(gè)整型變量的地址不是自然對(duì)齊，比如為0x00000002，則CPU取它的值需要訪問(wèn)兩次內(nèi)存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個(gè)short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個(gè)short，然后組合得到所要的數(shù)據(jù)；如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問(wèn)三次內(nèi)存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然后組合得到整型數(shù)據(jù)。而如果變量在自然對(duì)齊位置上，則只要訪問(wèn)一次就可以取出數(shù)據(jù)
1,結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員永遠(yuǎn)放在結(jié)構(gòu)體起始位置偏移為0的地址
2,結(jié)構(gòu)體從第二個(gè)成員，總是放在一個(gè)對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍數(shù)
對(duì)齊數(shù) = 編譯器默認(rèn)的對(duì)齊數(shù)和變量自身大小的較小值
3,結(jié)構(gòu)體總大小為最大對(duì)齊數(shù)（每個(gè)成員變量都有一個(gè)對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。
4,如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對(duì)齊到自己的最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對(duì)齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊數(shù)）的整數(shù)倍。
先來(lái)看一下這個(gè)結(jié)構(gòu)體占了幾個(gè)字節(jié)，說(shuō)明一下，下面的例子都是在32bit系統(tǒng)上運(yùn)行的
#include <stdio.h>#include <stddef.h>
int main(void){ typedef struct { char c1; int i; char c2; }MyStruct; MyStruct st; printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct)); printf('offset c1:%d, i:%d, c2:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c2)); printf('addr c1:%x, i:%x, c2:%x\r\n', &st.c1, &st.i, &st.c2);
return 0; }運(yùn)行結(jié)果，這個(gè)結(jié)構(gòu)體占12個(gè)字節(jié)
先來(lái)介紹一下offsetof(）這個(gè)宏，如果想知道結(jié)構(gòu)體的某個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體的首地址的偏移量，可通過(guò)這個(gè)宏獲取，這個(gè)宏在頭文件stddef.h中。我們看到結(jié)構(gòu)體中的成員c1，i，c2分別相對(duì)于結(jié)構(gòu)體的首地址偏移0，4，8
解釋：c1按1字節(jié)對(duì)齊，但i為int類型，按4字節(jié)對(duì)齊，所以不能緊跟其后，i的地址要為4的整數(shù)倍，所以在c1后空出了3字節(jié)開(kāi)始存放，c2為1字節(jié)對(duì)齊，緊跟在i后面即可，這樣算的話，總字節(jié)數(shù)為9，但結(jié)構(gòu)體的總大小要為最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的最大對(duì)齊數(shù)就是4，所以得在c2的后面再補(bǔ)3個(gè)字節(jié)，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)體就占用了12字節(jié)。
假設(shè)下圖左邊那一列是變量存放的地址，右邊是存放的變量
如果將上面例子的結(jié)構(gòu)體成員換一下位置，結(jié)果又是怎樣的呢？
#include <stdio.h>#include <stddef.h>int main(void){typedef struct{char c1;char c2;int i;}MyStruct;MyStruct st;printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct));printf('offset c1:%d, c2:%d, i:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i));printf('addr c1:%x, c2:%x, i:%x\r\n', &st.c1, &st.c2, &st.i);return 0;}
運(yùn)行結(jié)果：
解釋：c1和c2分別按1字節(jié)對(duì)齊，所以c2緊跟c1后面，i按4字節(jié)對(duì)齊，所以空2個(gè)字節(jié)，再存放i。那么整個(gè)結(jié)構(gòu)體大小為8字節(jié)，也滿足是最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍。
實(shí)際上，這兩個(gè)例子不管是32bit還是64bit的系統(tǒng)，結(jié)果都是一樣的，因?yàn)閏har類型和int類型在32bit和64bit系統(tǒng)中，占用的空間是一樣的。當(dāng)然了，最好是在使用前先用sizeof測(cè)一下每種類型在當(dāng)前環(huán)境中占用的大小。
因此，在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，如果定義的結(jié)構(gòu)體有很多成員，盡可能地把同類型的成員放在一起，這樣可以節(jié)省一些空間。
#include <stdio.h>#include <stddef.h>
int main(void){ typedef struct { char c1; short s1; char c2; int i; char c3; }MyStruct; MyStruct st; printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct)); printf('offset c1:%d, s1:%d, c2:%d, i:%d, c3:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c3)); printf('addr c1:%x, s1:%x, c2:%x, i:%x, c3:%x\r\n', &st.c1, &st.s1, &st.c2, &st.i, &st.c3); return 0; }運(yùn)行結(jié)果：
解釋：c1為1字節(jié)對(duì)齊，s1為2字節(jié)對(duì)齊，地址要為2的整數(shù)倍，所以不能緊跟c1后面，得從2開(kāi)始，c2是1字節(jié)對(duì)齊，i為4字節(jié)對(duì)齊，不能從地址5開(kāi)始存放，否則CPU訪問(wèn)的時(shí)候需要很多次，甚至可能會(huì)出錯(cuò)。所以要在c2后空出3字節(jié)，i從地址8開(kāi)始，c3為1字節(jié)對(duì)齊，緊跟其后即可，累加起來(lái)為13個(gè)字節(jié)，結(jié)構(gòu)體總大小又要為最大對(duì)齊數(shù)整數(shù)倍，所以該結(jié)構(gòu)體大小為16
那么，將同種類型的成員都放在一起，又占用了多少空間呢？
實(shí)際結(jié)果：
看一下帶結(jié)構(gòu)體嵌套的如何計(jì)算：
#include <stdio.h>#include <stddef.h>int main(void){typedef struct{int j;char c;}MyS1;typedef struct{char c1;MyS1 my_s1;short s1;int i;}MyStruct;MyStruct st;printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct));printf('offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));printf('addr c1:%x, my_s1:%x, s1:%x, i:%x\r\n', &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i);return 0;}
解釋：看了前面幾個(gè)例子的分析，相信這個(gè)結(jié)構(gòu)體嵌套的大家也會(huì)，原理是一樣的。c1為1字節(jié)對(duì)齊，嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1中的 j 為4字節(jié)對(duì)齊，地址要為4的整數(shù)倍，所以c1后要空出3個(gè)字節(jié)，c為1個(gè)字節(jié)，緊跟 j 后，s1為2字節(jié)，在c后面空出2個(gè)字節(jié)，i 是4個(gè)字節(jié)，s1后面再空2個(gè)字節(jié)保持對(duì)齊，這樣的話，就是 4+4+2+2+4=16，最大對(duì)齊數(shù)是4，16也是4的整數(shù)倍。因此，這個(gè)結(jié)構(gòu)體大小為16字節(jié)。有沒(méi)有很多同學(xué)會(huì)犯這個(gè)錯(cuò)誤呢？
不要忽略了嵌套結(jié)構(gòu)體的自身的對(duì)齊，嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1的最大對(duì)齊數(shù)為4，因此嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1的結(jié)構(gòu)體大小要為4的整數(shù)倍，所以my_s1的結(jié)構(gòu)體大小為8字節(jié)，所以，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小為20字節(jié)
運(yùn)行結(jié)果：
那么將嵌套結(jié)構(gòu)體中的int類型改成double類型，又是多少呢？
#include <stdio.h>#include <stddef.h>
int main(void){ typedef struct { double j; char c; }MyS1; typedef struct { char c1; MyS1 my_s1; short s1; int i; }MyStruct; MyStruct st; printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct)); printf('offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i)); printf('addr c1:%x, my_s1:%x, s1:%x, i:%x\r\n', &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i); return 0; }運(yùn)行結(jié)果：
這個(gè)我就不帶著大家一步一步算了，自己算一下，看下你學(xué)會(huì)了沒(méi)
看一下帶聯(lián)合體嵌套的如何計(jì)算
#include <stdio.h>#include <stddef.h>int main(void){typedef struct{char c1;union{int j;char c[8];}MyUnion;short s1;int i;}MyStruct;MyStruct st;printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct));printf('offset c1:%d, MyUnion:%d, s1:%d, i:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, MyUnion), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));printf('addr c1:%x, MyUnion:%x, s1:%x, i:%x\r\n', &st.c1, &st.MyUnion, &st.s1, &st.i);return 0;}
解釋：這里要注意一點(diǎn)就是，聯(lián)合體的各成員共用一塊內(nèi)存空間，并且同時(shí)只有一個(gè)成員可以得到這塊內(nèi)存的使用權(quán)(對(duì)該內(nèi)存的讀寫(xiě))，各變量共用一個(gè)內(nèi)存首地址。
運(yùn)行結(jié)果：
個(gè)人覺(jué)得也不用刻意去記這些規(guī)則吧，重在理解，記規(guī)則的話，很久沒(méi)用了估計(jì)就忘了。多看看，多筆算算就清楚了。看了前面的分析，其實(shí)就兩點(diǎn)，第一個(gè)就是結(jié)構(gòu)體成員變量存放的地址是該變量類型的整數(shù)倍；第二點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)體的大小為最大對(duì)齊數(shù)的整數(shù)倍。
在定義的結(jié)構(gòu)體前后加上這兩條指令，n表示你想讓這個(gè)結(jié)構(gòu)體按照幾字節(jié)對(duì)齊。
· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊。
· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。
#include <stdio.h>#include <stddef.h>
int main(void){ #pragma pack (1) typedef struct { char c1; short s1; int i; }MyStruct; #pragma pack () MyStruct st; printf('%d\r\n', sizeof(MyStruct)); printf('offset c1:%d, s1:%d, i:%d\r\n', offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i)); printf('addr c1:%x, s1:%x, i:%x\r\n', &st.c1, &st.s1, &st.i); return 0; }運(yùn)行結(jié)果：
因?yàn)橐呀?jīng)設(shè)定了按1字節(jié)對(duì)齊，所以就是，c1為1字節(jié)，s1為2字節(jié)，i 為2字節(jié)，加起來(lái)就是 7 字節(jié)。
改成按2字節(jié)對(duì)齊又是多少呢？
實(shí)際就是c1后面再空了一個(gè)字節(jié)
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