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16. 结构体占内存大小是怎么计算的，有哪些原则？

article 2024/11/18 18:44:20

结构体的内存大小计算主要遵循以下原则：

每个成员类型的大小：每个成员的内存大小由它的类型决定。例如，int 通常是 4 字节，char 是 1 字节，double 是 8 字节，等等。
成员的对齐要求：系统对不同数据类型有对齐要求。例如，在 32 位系统中，int 通常要求 4 字节对齐，double 通常要求 8 字节对齐。这意味着该成员的起始地址必须是其大小的整数倍。
结构体的对齐要求：结构体的总大小必须是其最大对齐成员的倍数。这通常会导致在结构体末尾添加填充字节，以确保结构体的对齐符合最大成员的对齐要求。

1. 内存对齐原则

每个成员在结构体中的位置，必须满足它自身的对齐要求。编译器可能会在成员之间添加填充字节（padding），以保证每个成员的起始地址满足其对齐要求。

对齐要求是指内存地址必须是某个数值的倍数，通常是 2 的幂。
最后，结构体的大小需要是最大对齐的倍数。

2. 计算步骤

逐一计算每个成员的大小。
考虑对齐要求，并在必要时加入填充字节。
最后，确保结构体的总大小是对齐要求的倍数。

3. 示例

示例 1：简单结构体

struct S1 {
    char c;   // 1 字节
    int i;    // 4 字节
    double d; // 8 字节
};

char c 占 1 字节，位于结构体的开始，偏移量为 0。对齐要求为 1 字节，因此无需填充。
int i 占 4 字节，要求 4 字节对齐。因为上一个成员 char 只占用了 1 字节，因此在 int 前需要填充 3 字节（地址 1 到 3），i 位于地址 4 到 7。
double d 占 8 字节，要求 8 字节对齐。上一个成员 int 占用 4 个字节，因此 d 可以直接存储在地址 8 到 15。

总内存布局如下：

字节偏移	成员	占用大小
0	`char c`	1 字节
1 - 3	填充	3 字节
4 - 7	`int i`	4 字节
8 - 15	`double d`	8 字节

总大小为 16 字节。
由于 double 是对齐要求最大的成员，结构体的总大小必须是 8 的倍数，所以没有额外的填充字节。

示例 2：更复杂的结构体

struct S2 {
    char c1;  // 1 字节
    char c2;  // 1 字节
    double d; // 8 字节
    int i;    // 4 字节
};

char c1 占 1 字节，偏移量 0。
char c2 紧接着 c1，占 1 字节，偏移量 1。
double d 要求 8 字节对齐，但上一个成员 char c2 的地址为 1，因此必须插入 6 字节的填充，使 d 的起始地址为 8。
int i 要求 4 字节对齐，d 占用了 8 到 15 字节，因此 i 从 16 开始，位于 16 到 19 字节。

内存布局如下：

字节偏移	成员	占用大小
0	`char c1`	1 字节
1	`char c2`	1 字节
2 - 7	填充	6 字节
8 - 15	`double d`	8 字节
16 - 19	`int i`	4 字节

目前为止占用了 20 字节。
最大对齐单位是 double（8 字节），因此结构体的大小必须是 8 的倍数，最后需要添加 4 字节的填充，使总大小达到 24 字节。

示例 3：位域的结构体

struct S3 {
    int a : 4; // 位域，占用 4 位（0.5 字节）
    int b : 4; // 位域，占用 4 位（0.5 字节），可以与 a 共用一个字节
    int c : 8; // 位域，占用 8 位（1 字节）
    double d;  // 普通成员，占用 8 字节
};