[c语言日寄]结构体：内存对齐

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前言

在C语言的世界里，结构体（struct）是一种非常强大且机动的工具，它允许我们自定义数据类型，将多个差别类型的数据组合在一起。这种特性使得结构体在处理复杂数据时变得非常方便。然而，当我们深入研究结构体时，会发现一个有趣且重要的征象：结构体的内存对齐。内存对齐直接影响到程序的性能和内存使用服从。今天，我们就通过一个简单的程序来深入探讨结构体的内存对齐。

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标题引入

下面程序的输出结果是：（ ）

1. #include <stdio.h>
3. struct stu
4. {
5.     char a;
6.     int b;
7.     char c;
8. };
10. int main()
11. {
12.     printf("Size of struct stu: %lu\n", sizeof(struct stu));
13.     return 0;
14. }

复制代码

A. 6
B. 8
C. 12
D. 16
在接下来的文章中，我们会一起把结构体的内存对齐知识与标题结合起来，学习这一知识点。
知识点分析

结构体内存对齐的基本概念

在C语言中，结构体是由多个成员构成的复合数据类型。每个成员都有自己的内存地址和大小。为了进步内存访问的服从和硬件性能，编译器会对结构体的成员进行内存对齐。内存对齐是指将数据的起始地址放在某个特定的地址边界上，比方，4字节对齐、8字节对齐等。对齐的方式取决于编译器的默认设置和目标硬件平台。
对齐规则

• 成员对齐：结构体的每个成员都必须按照其自身大小的倍数对齐。比方，一个int类型（通常为4字节）的成员，其地址必须是4的倍数；一个char类型（1字节）的成员，其地址可以是任意值。
  
• 结构体整体对齐：结构体的总大小必须是其最大成员大小的倍数。比方，假如结构体中最大的成员是int（4字节），那么结构体的总大小必须是4的倍数。
  
• 编译器对齐选项：差别的编译器提供了差别的对齐选项，可以通过预处理指令或编译器选项来控制对齐方式。
  
  
  
  • VS中，存在一个默认对齐数，大小为8字节。一个成员的对齐数为它自己占据的字节大小与默认对齐数的较小值。
    
  • GCC编译器自己没有对齐数，可以通过#pragma pack指令来设置对齐方式。
    
  
  

示例分析

让我们回到前面的程序：

1. #include <stdio.h>
3. struct stu
4. {
5.     char a; // 1字节
6.     int b;  // 4字节
7.     char c; // 1字节
8. };
10. int main()
11. {
12.     printf("Size of struct stu: %lu\n", sizeof(struct stu));
13.     return 0;
14. }

复制代码

在这个结构体中，char a占用1字节，int b占用4字节，char c占用1字节。假如没有内存对齐，结构体的总大小应该是1 + 4 + 1 = 6字节。然而，由于内存对齐规则，编译器会在char a和int b之间插入3字节的填充，使得int b的地址是4的倍数。同样，在int b和char c之间也会插入3字节的填充，使得结构体的总大小是4的倍数。因此，结构体的总大小是1 + 3 + 4 + 3 + 1 = 12字节。以是，正确答案是C. 12。
影响内存对齐的因素

• 硬件平台：差别的硬件平台对内存对齐的要求差别。比方，x86架构的CPU对内存对齐的要求相对宽松，而ARM架构的CPU对内存对齐要求严格。
  
• 编译器：差别的编译器有差别的默认对齐方式。如，GCC编译器的默认对齐方式是按照最大成员大小对齐，于VS编译器的默认对齐方式差别。
  
• 预处理指令：在GCC中，可以通过#pragma pack指令来控制结构体的对齐方式。如，#pragma pack(1)表示不对齐，#pragma pack(4)表示按照4字节对齐。
  

注意事项

内存对齐的潜伏问题

• 内存浪费：由于内存对齐，结构体中可能会插入额外的填充字节，导致内存浪费。比方，在前面的示例中，结构体的总大小从6字节增长到12字节。
  
• 跨平台兼容性：差别平台的内存对齐规则可能差别，这可能导致在差别平台上编译的程序出现差别的举动。比方，一个在x86平台上编译的程序可能在ARM平台上运行失败。
  
• 性能问题：虽然内存对齐可以进步内存访问服从，但在某些情况下，过多的填充字节可能会导致性能降落。比方，在嵌入式系统中，内存资源有限，过多的填充字节可能会浪费名贵的内存。
  

办理方法

• 合理设计结构体：在设计结构体时，尽量将占用空间较大的成员放在前面，占用空间较小的成员放在后面。这样可以减少填充字节的数目。比方，将int类型的成员放在char类型的成员前面。
  
• 使用编译器对齐选项：可以通过编译器的对齐选项来控制结构体的对齐方式。比方，在GCC编译器中，可以使用#pragma pack指令来设置对齐方式。
  
• 制止过分对齐：在某些情况下，过分对齐可能会导致内存浪费和性能降落。因此，在设计结构体时，应根据实际需求合理选择对齐方式。
  

为什么要内存对齐

进步内存访问服从

内存对齐的重要目标是进步内存访问服从。当代计算机的内存系统通常以块为单位进行访问，每个块的大小通常是2、4、8字节等。假如数据的地址与块的边界对齐，那么内存系统可以更高效地访问数据。比方，一个4字节对齐的int类型数据，可以一次性从内存中读取，而不需要进行多次读取和拼接。
硬件性能优化

内存对齐还可以优化硬件性能。许多当代CPU在访问未对齐的内存时会触发非常，导致程序崩溃或性能降落。比方，ARM架构的CPU在访问未对齐的内存时会触发数据对齐非常。通过内存对齐，可以制止这些非常，进步程序的稳固性和性能。
跨平台兼容性

内存对齐还可以进步程序的跨平台兼容性。差别的硬件平台对内存对齐的要求差别，通过合理设计结构体和使用编译器对齐选项，可以使程序在差别的平台上具有雷同的内存布局，从而进步程序的兼容性。
内存对齐的重要性

让我们通过一个具体的例子来分析内存对齐的重要性。假设我们有一个结构体，用于存储学生信息：

1. struct stu
2. {
3.     char name[10]; // 10字节
4.     int age;       // 4字节
5.     float score;   // 4字节
6. };

复制代码

假如没有内存对齐，结构体的总大小是10 + 4 + 4 = 18字节。然而，由于内存对齐规则，编译器会在char name[10]和int age之间插入2字节的填充，使得int age的地址是4的倍数。因此，结构体的总大小是10 + 2 + 4 + 4 = 20字节。虽然增长了2字节的填充，但内存对齐可以进步内存访问服从，制止硬件非常，进步程序的稳固性和性能。
总结

结构体的内存对齐是C语言中一个非常重要的概念，它直接影响到程序的性能和内存使用服从。通过合理设计结构体和使用编译器对齐选项，可以优化内存对齐，进步程序的性能和兼容性。在设计结构体时，应尽量将占用空间较大的成员放在前面，占用空间较小的成员放在后面，以减少填充字节的数目。同时，应根据实际需求合理选择对齐方式，制止过分对齐导致的内存浪费和性能降落。
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