结构体内存对齐规则

我们知道，整型变量有自己的大小，浮点型变量有自己的大小，数组也有自己的大小，那么结构体有没有自己的大小呢？
回答是肯定的，结构体也有自己的大小，但是结构体的大小并不是简单地将每个结构体成员的大小相加就能得到。

结构体的大小计算遵循结构体的对齐规则：

1> 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。（即结构体的首地址处，即对齐到0处）
2>其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
3> 结构体的总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
4> 如果嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

对齐数 = 该结构体成员变量自身的大小与编译器默认的一个对齐数的较小值。
注：VS中的默认对齐数为8，不是所有编译器都有默认对齐数，当编译器没有默认对齐数的时候，成员变量的大小就是该成员的对齐数。

结构体大小计算

知道了结构体内存对齐规则，我们就可以计算结构体的大小了。计算结构体的大小可分为三个步骤。我们拿下面这个结构体举例：

struct S
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

第一步：找出每个成员变量的大小将其与编译器的默认对齐数相比较，取其较小值为该成员变量的对齐数。

在这里插入图片描述
注：我使用的是VS编译器，故默认对齐数为8。

第二步：根据每个成员对应的对齐数画出它们在内存中的相对位置。

在这里插入图片描述
第三步：通过最大对齐数决定最终该结构体的大小。

通过图我们可以知道，绿色部分（double d成员占用）+红色部分（char c成员占用）+紫色部分（int i成员占用）+红色与紫色之间的白色部分（浪费掉了）总共占用了16个字节的内存空间。

我们需要将它们总共占用的内存空间（16）与结构体成员的最大对齐数（8）相比较，结构体的总大小为最大对齐数的整数倍，此时16正好是8的整数倍，所以该结构体在VS编译器下的大小就16个字节。即创建一个该类型的结构体变量，内存需为其开辟16个字节的内存空间。

注意：大多数情况下，成员变量已经占用的总字节个数并不一定正好为其成员变量中的最大对齐数的整数倍，这时我们需要将其扩大为最大对齐数的整数倍。

为什么存在内存对齐？

平台原因（移植原因）：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些平台只能在某些地址处取得某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
比如，当一个平台要取一个整型数据时只能在地址为4的倍数的位置取得，那么这时就需要内存对齐，否则无法访问到该整型数据。

性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需一次。

其实结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

设计结构体的技巧

其实在我们设计结构体的时候，如果结构体成员的顺序设计得合理的话，是可以避免不必要的内存消耗的。

两个结构体的成员变量相同，但是成员变量的顺序不同，可能就会出现结构体的大小不同的情况：

struct S1
{
	char a;
	char b;
	int c;
};//结构体1
struct S2
{
	char a;
	int c;
	char b;
};//结构体2

我们可以看到，结构体1和结构体2的成员变量一模一样，可是当我们按照内存对齐规则来计算两个结构体的大小的时候，会发现两个结构体的大小不一样，在VS编译器下第一个结构体大小为8，第二个结构体大小为12。

可以见得，结构体成员变量的顺序不同，可能会造成内存不必要的损失。将占用空间小的成员尽量集中在一起，可以有效地避免内存不必要的浪费。

如何修改默认对齐数？

要修改编译器的默认对齐数，我们需要借助于以下预处理命令：

#pragma pack()

如果在该预处理命令的括号内填上数字，那么默认对齐数将会被改为对应数字；如果只使用该预处理命令，不在括号内填写数字，那么会恢复为编译器默认的对齐数。

#include <stdio.h>

#pragma pack(4)//设置默认对齐数为4
struct S1
{
	char a;//1/4->1
	int b;//4/4->4
	char c;//1/4->1
};//12
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
	char a;//1/1->1
	int b;//4/1->1
	char c;//1/1->1
};//6
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//打印结果为12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//打印结果为6
	return 0;
}