结构体中内存的对齐

news2024/11/16 9:27:36

前言

学C的同学应该知道~

想精通C语言就不得不面对—指针与内存

续上次指针进阶，这一章我来聊一聊C语言内存对齐的问题

学习结构体的你有没有注意过结构体向系统申请的内存为多少呢的😁

思考

#include<stdio.h>
typedef struct s1
{
    char a;
    char b;
    int c;
}s1;
typedef struct s2
{
    char a;
    int c;
    char b;
}s2;
int main()
{
 
    //内存对齐的现象
    printf("%d\n", sizeof(s1));
    printf("%d\n", sizeof(s2));
    return 0;
}

很显然这一段代码就是计算s1与s2向系统申请的内存大小

我：两个char类型各为一，再加上应该int类型的四，结果就是六

诚挚的乔治：你说的对，但不完全对，在结构体中会出现内存对齐的现象，不信？看结果

别慌，看到文章的最后，你(也许)就会恍然大悟

在结构体中，内存不是成员的大小之和

📃结构体在内存中开辟空间时内存对齐的规则：
1.结构体中的第一个成员存放在这个结构体的零偏移处，故第一个成员char类型的的偏移量为零

2.从第二个成员开始，每个成员都要对齐到成员对齐数的整数倍

（对齐数--成员自身大小与默认对齐数的最小值的整数倍，如果自身大小是四，默认对齐数是八，最终的对齐数就是四的倍数），一般情况下默认对齐数就是八。

3.结构体的总大小必须是最大对齐数的整数倍。

（最大对齐数就是每个成员对齐数中的最大值）

4.如果结构体中嵌套结构体的情况下，嵌套的结构体就对齐到自己成员对齐数的最大对齐数的整数倍处，结构体的总大小就是最大对齐数（含嵌套的结构体成员）的整数倍。

下面其中的一个结构体进行分析：

先向大家介绍一下本章的配角—offsetof

offsetof的返回值就是距离这个结构体（自定义类型）起始位置的值

参数就是结构体的名称和结构体成员的名称。

#include<stddef.h>
#include<stdio.h>
typedef struct s
{
    char a;
    int b;
    char c;
}s;
int main()
{
    //offsetof-是指偏移量
    printf("%d\n", offsetof(s,a));
    printf("%d\n", offsetof(s,b));
    printf("%d\n", offsetof(s,c));
    return 0;
}

char a； //因为char a是结构体第一个成员，所以偏移量就是零
int b; //自身大小：4 默认对齐数：8 对齐数：4的倍数即可，所以偏移量就是四
char c; // 自身大小：1 默认对齐数：8 对齐数：1的倍数即可，所以偏移量就是八

又因为最终的结构体大小是成员最大对齐数的倍数，也就是四的倍数，所以最终的结构体的大小应该就是十二。

到这里是不是有一定的思路了，别急，再来一道试试吧

#include<stddef.h>
#include<stdio.h>
typedef struct s
{
    double a;
    char b;
    int  c;
}s;
int main()
{
    //offsetof-是指偏移量
    printf("%d\n", offsetof(s,a));
    printf("%d\n", offsetof(s,b));
    printf("%d\n", offsetof(s,c));
    printf("%d", sizeof(s));
    return 0;
}

结果如下：

是不是跟你想的一样呢？

同样的，用一样的方法进行解释

double a; //因为double a是结构体第一个成员，所以偏移量就是零
char b; //自身大小：1 默认对齐数：8 对齐数：1的倍数即可,所以偏移量就是八
int c; //自身大小：4 默认对齐数：8 对齐数：4的倍数即可,所以偏移量就是十二

最终结构体的大小就是四的整数倍十六

下面给应该结构体嵌套结构体的例子

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
typedef struct s1
{
    char i;
    char j;
    int k;
}s1;
typedef struct s2
{
    char a;
    int c;
    s1;
}s2;
int main()
{
 
    printf("%d\n", offsetof(s2, a));
    printf("%d\n", offsetof(s2, c));
    printf("%d", sizeof(s2));
    return 0;
}

我相信此时的你一定会计算结构体想系统申请的大小，以及内存对齐是咋回事

其实，内存对齐也就那么回事儿~

为什么存在内存对齐

知道怎样计算后，你是否和我一样思考

为什么内存的申请不能想main函数中的内存申请一样，要多少就申请相应大小的空间，这样既省内存，也不用考虑这么多。

1.平台的原因

所谓平台原因就是与硬件有关，硬件不能访问内存中的每一个空间，换句话说，就是按一定的规律进行访问，这样内存对齐就起到了很好的作用

2.性能的原因

数据结构（尤其是栈），应该尽可能的在自然边界上对齐

因为我们的CPU访问空间，就是一次性按四个字节的空间来访问，内存对齐在一定的时候避免了访问一次的空间进行了二次访问

如下访问应该int类型内存对齐后只需要访问一次