详解C语言结构体内存对齐：你知道如何快速计算结构体大小吗？

本篇博客会讲解C语言结构体的内存对齐，并且给出一种快速计算结构体大小的方式。主要讲解下面几点：

结构体的内存对齐是什么？
如何快速计算结构体的大小？
如何利用内存对齐节省结构体占用的内存空间？
为什么结构体要内存对齐？
如何修改默认对齐数？

结构体内存对齐

结构体内存对齐是什么？

结构体内有一个或者多个成员变量，这些成员变量是要“对齐”的。这么说可能有点抽象，我们先来了解一下内存对齐的规则，以及几个概念。

每个成员变量都有一个“对齐数”，这个对齐数等于其自身大小和默认对齐数的较小值。

举个例子：

struct S
{
	int a;
	char c;
	double d;
];

对于上面这个结构体，有3个成员变量，每个成员变量都有一个对齐数。默认对齐数是什么，我们下一条规则再说，先假设默认对齐数是4。

a的大小是4，默认对齐数是4，取两者的较小值，得到a的对齐数是4。
c的大小是1，默认对齐数是4，取两者的较小值，得到c的对齐数是1。
d的大小是8，默认对齐数是4，取两者的较小值，得到d的对齐数是4。

默认对齐数是由编译器决定的。如：VS的默认对齐数是8，gcc没有默认对齐数。如果没有默认对齐数，每个成员变量的对齐数就是其自身大小（或者也可以假设默认对齐数是正无穷，取自身大小和默认对齐数的较小值，也是自身大小）。关于如何修改默认对齐数，本篇博客后面会讲解。
每个成员变量都有一个“偏移量”。这个偏移量指的是，该成员变量的起始地址与结构体的起始地址相差了几个字节。成员变量会按照声明的顺序，地址从低到高变化。第一个成员变量的偏移量是0，也就是说，第一个成员变量的起始地址和结构体的起始地址相同。或者也可以这样理解，对于一个结构体的空间内，每一个地址都对应一个偏移量，这个偏移量就是该地址和结构体的起始地址相差的字节数。
从第二个成员变量开始，偏移量是其对齐数的整数倍。

建议反复阅读规则1~4，再结合下面的例子来理解。

还是上面的结构体，我再写一遍，大家就不用向上翻了。

struct S
{
	int a;
	char c;
	double d;
];

假设默认对齐数是8，根据前面的计算，a、c、d的对齐数分别是4、1、4。

a作为第一个成员变量，偏移量是0。由于其大小是4，会占用偏移量是0、1、2、3的地址处。
接下来可用的位置是偏移量为4的地址处，由于4就是c的对齐数的整数倍，故c会占用偏移量是4的位置，并且只占用这一个字节，因为c的大小是1个字节。
接下来可用的位置是偏移量为5的地址处，注意，由于5不是d的对齐数的整数倍，接下来的6、7也不是，所以d的偏移量是8，并且占用8个字节，因为d的大小是8个字节，占用了偏移量为8、9、10、11、12、13、14、15的地址处。

综上所述，a占用偏移量为0、1、2、3的地址处，c占用偏移量为4的地址处，偏移量为5、6、7的地址处被浪费了，接下来d占用偏移量为8、9、10、11、12、13、14、15的地址处。由于有的位置被浪费了，这种浪费一定的空间，使得每个成员变量的偏移量都对齐到其对齐数的整数倍处的现象，就是内存对齐。

此时，这个结构体的大小是多少呢？看起来，这些成员变量占用了偏移量从0~15的地址处，总大小应该是16，但是究竟是不是16呢？这就要看下一条规则：

结构体的总大小是其所有成员变量的最大对齐数的整数倍。

由于以上结构体的成员变量的对齐数分别是4、1、4，最大对齐数是4，而16就是4的整数倍，所以它的大小就是16。注意，这是一种巧合，如果16不是最大对齐数的整数倍，还要继续“浪费”空间，最终大小是最大对齐数的整数倍。

假设根据前面偏移量的计算，最后一个成员变量的偏移量是16~19，此时总体的偏移量是0~19，总大小是不是20呢？假设所有成员变量的最大对齐数是8，那么20就不是最终的大小，21也不是，22也不是，23也不是，24是8的整数倍，所以最终算出来的结构体大小是24。

如果有嵌套的结构体呢？

如果有嵌套的结构体，最终的大小是所有成员变量（包括嵌套的结构体的成员变量）的最大对齐数的整数倍。

如果有的成员变量是数组呢？

数组在内存中是连续存放的，只需要计算其首元素的偏移量即可。注意，数组的对齐数只是一个元素的对齐数，也就是说，只需要计算一个元素的大小和默认对齐数的较小值。

如何快速计算结构体的大小？

在一些笔试面试的问题中，会要求计算结构体的大小。此时我们的计算步骤是：

计算每个成员变量的对齐数（自身大小和默认对齐数的较小值）。
计算每个成员变量占用的地址的偏移量。
计算最终大小。

下面我再换一个结构体演示一下这几个步骤。

struct S
{
	char c1;
	double d;
	char c2;
	int i;
};

假设默认对齐数是8。

计算每个成员变量的对齐数（自身大小和默认对齐数的较小值），我用括号里的数表示该成员变量的对齐数。

struct S
{
	char c;     // (1)
	int i1;     // (4)
	double d;   // (8)
	int i2;     // (4)
	char ch[2]; // (1)
};

计算每个成员变量占用的地址的偏移量。我用中括号表示浪费的空间，用大括号表示占用的地址的偏移量。

struct S
{
	char c;     // (1) {0}
	int i1;     // (4) [1 2 3] {4 5 6 7}
	double d;   // (8) {8 9 10 11 12 13 14 15}
	int i2;     // (4) {16 17 18 19}
	char ch[2]; // (1) {20 21}
};

计算最终大小。

最大对齐数是8。从22往后数，直到数到8的倍数。22、23、24，停！没错，最终大小就是24。你学会了吗？

如何利用内存对齐节省结构体占用的内存空间？

观察到，只要把小的成员变量都放到一起，本来有可能会被浪费的空间就有可能被这些小的成员变量利用。感觉上，本来有些空间由于内存对齐的原因被浪费了，产生了空隙，而小的成员变量，就像沙子一样，可以填补这些空隙，这样就减少了空间的浪费，提高了空间的利用率。

为什么结构体要内存对齐？

主要有2个原因。

有些硬件只能访问对齐的位置的地址，如果没有内存对齐，可能有些数据是没办法访问的。
以空间换时间。如果没有内存对齐，可能需要访问2次才能读取一个数据，对齐之后，可能1次访问就能读取到数据，效率更高。举个例子：假设结构体内只有2个成员变量，分别是一个char数据和一个int数据，如果不对齐，char数据和int数据是挨着放的，只占用5个字节的空间，如果想要读取到int数据，假设一次只能读取4个字节，并且只能从对齐的位置（char数据所在的位置）开始读取，第一次只能读取到int数据的前3个字节，第二次读取才能读到int数据的最后一个字节，需要读取2次。但是如果对齐的话，就能直接从int数据的起始地址开始读，一次读取就能读取到整个int数据，效率就提升了，但是浪费了空间。所以说这是一种以空间换时间的策略。