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结构体内存对齐

article 2024/9/22 3:30:52

一、什么是结构体内存对齐

进入讲解前，先看一段 C 代码：

struct Node1 {
    int a;
    char b;
    char c;
} node1[1024];

struct Node2 {
    char b;
    int a;
    char c;
} node2[1024];

思考一下 node1 和 node2 的大小分别为多少？

printf("The size of node1 is: %d\r\n", sizeof(node1));
printf("The size of node2 is: %d\r\n", sizeof(node2));

结果如下：

The size of node1 is: 8192
The size of node2 is: 12288

我是在 Windows 下 MinGW32 的 GCC 测试的

一样的成员属性，但 node1 只有 8K，而 node2 的大小却有 12K。

由此可见，结构体对齐，实质上就是内存对齐。

二、为什么要结构体内存对齐

为什么要结构体对齐，原因就是内存要对齐，原因是芯片内存的制造限制，是制造成本约束，是内存读取效率要求。

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。

三、对齐系数

对齐系数是指编译器在内存布局中对结构体成员进行对齐的要求。由于硬件访问内存的方式有一定的要求，结构体的对齐方式会影响内存的使用效率和访问速度。

在大多数编译器中，结构体对齐系数是通过编译器的编译选项或者特定的指令来指定的。对齐系数通常以字节为单位，表示结构体成员的起始位置必须是该字节数的整数倍。

注意，不同的平台，模数是不一样的。

struct Node3 {
	int a;
	double b;
} node3;

printf("The size of node3 is: %d\r\n", sizeof(node3));
printf("node3.a address: %p\r\n", &node3.a);
printf("node3.b address: %p\r\n", &node3.b);

结果如下：

The size of node3 is: 16
node3.a address: 003CF1B8
node3.b address: 003CF1C0

可知，对齐系数就是 8.

当然，对齐模数是可以改变的，可以用预编译命令 #pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16（必须是 2 的幂次方）来改变这一系数，其中的 n 就是你要指定的“对齐系数”。

现在将上面的结构体改变一下：

#pragma pack(4)
struct Node3 {
	int a;
	double b;
} node3;
#pragma pack()

将它的对齐模数改为了 4，结果如下：

The size of node3 is: 12
node3.a address: 0042F1B8
node3.b address: 0042F1BC

四、结构体对齐规则

结构体的内存大小，并非其内部元素大小之和；
结构体变量的起始地址，可以被最大元素基本类型大小或者模数整除；
结构体的内存对齐，按照其内部最大元素基本类型或者模数大小对齐；
模数在不同平台值不一样，也可通过 #pragma pack(n) 方式去改变，其中 n 一定是 2 的幂次方，如 1,2,4,8,16 等；
如果空间地址允许，结构体内部元素会拼凑一起放在同一个对齐空间；
结构体内有结构体变量元素，其结构体并非展开后再对齐；
union 和 bitfield 变量也遵循结构体内存对齐原则。

下面结合例子来看一下：

1、例一：文章开头的例子

对于本文一开始提到的例子，它们的内存对齐方式如下（这里就不以数组举例了）：

struct Node1 {
	int a;
	char b;
	char c;
} node1;

struct Node2 {
	char b;
	int a;
	char c;
} node2;

解释如下：

node1 中的元素 a 是 int 类型，按 4 个字节对齐，其地址位是 4 的整数倍；而 b 和 c 就按 1 字节对齐，就跟在 a 后面就行了。

node2 中 b 是按 1 个字节对齐，放在最前面；而 a 是按 4 个字节对齐，其地址位必须是 4 的整数倍，所以，只能找到个 +4 的位置；紧接着 c 就按 1 字节对齐，跟其后面。

2、例二：稍微复杂的情况

struct Node4 {
	char  a;
	short b;
	char  c;
	int   d;
	char  e;
} node4;

结果如下：

The size of node4 is: 16
node4.a address: 00E1F1C4
node4.b address: 00E1F1C6
node4.c address: 00E1F1C8
node4.d address: 00E1F1CC
node4.e address: 00E1F1D0

其内存分布如下：

3、结合 union 和 struct

struct Node5 {
	int a;        
	union {
		char ua[9];      
		int ub;
	}u;      
	double b;  
	int c;
} node5;

如果 union 里的元素类型不一样，那就以最大长度的那个类型对齐了。

4、结构体嵌套

typedef struct {
	int a;
	char b;
} node1;

struct Node11 {
	node1 nd1;
	char c;
} node11;

typedef struct {
	short a;
	char b;
} node2;

struct Node22 {
	node2 nd2;
	char c;
} node22;

The size of node11 is: 12
node11.nd1 address: 0028F1D4
node11.c address: 0028F1DC

The size of node22 is: 6
node22.nd2 address: 0028F1E0
node22.c address: 0028F1E4