【结构体内功修炼】结构体内存对齐（一）

前言

本文重点讲解结构体的大小，以及在内存中如何对齐的。

1. 结构体的声明

结构体的基础知识

结构是一些值的集合，这些值称为 成员变量。

结构的每个成员可以是 不同类型 的变量。

结构的声明

struct tag
{
    
	member-list; //成员列表

}variable-list; //变量列表

假设我现在要定义一个学生的 结构体类型 ，包括：姓名、性别、年龄、身高

struct Stu
{
    
	char name[20]; //姓名
	char sex[5]; //性别
	int age; //年龄
	int hight; //身高
};

那么我们现在要拿刚刚定义的 学生结构体类型 去创建 结构体变量

struct Stu
{
    
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	int hight;
};


int main()
{
    
	struct Stu s1;

	return 0;
}

还可以用下面这种方法创建结构体变量

struct Stu
{
    
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	int hight;
}s2,s3,s4;

struct Stu s5;

int main()
{
    
	struct Stu s1;
	
	return 0;
}

此时创建的 s2、s3、s4、s5 都是创建的全局变量；

s1 为局部变量；

特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如在定义一个结构体时，可以把它的标签去掉；

struct
{
    
	char c;
	int a;
	double d;
}sa;

int main()
{
    

	return 0;
}

上面这种方式叫 匿名结构体类型，但是 sa 只能使用一次；

但是如果是下面这样呢？

struct
{
    
	char c;
	int a;
	double d;
}sa;

struct
{
    
	char c;
	int a;
	double d;
}*ps;

int main()
{
    
	ps = &sa;
	return 0;
}

sa 是一个匿名结构体，ps 是一个匿名结构体指针；

虽然它们的成员类型是一模一样的，但是编译器会认为 = 两边是不同的结构体类型，所以这种写法完全是错误的

结构体的自引用

我们思考一个问题：在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

比如这样

struct Node
{
    
	int data;
	struct Node next;
};

这种情况是绝对不可以的；

如果我们在结构中包含一个类型为该结构本身的成员，那么此时我要求这个结构体类型的大小是多少？

首先在 Node 里面有个 int 类型，然后还有个 struct Node next 类型；

那么在 struct Node next 里面还有个 int 类型，和 struct Node next 类型…等等就会形成无线循环；

所以我们只需要在存上一个结构体类型的地址就好了

struct Node
{
    
	int data;
	struct Node* next;
};

此时，我们创建的每个 Node 节点里面，既可以保存一个数值，又可以保存一个地址；

通过这个地址，就可以找到由 next 指向的下一个节点；

此时结构体的大小就可以确定了：int 类型 4 个字节、指针类型 4 / 8 字节；

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单

struct Point
{
    
	int x;
	int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1

struct Point p2; //定义结构体变量p2

//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {
     1, 2 };

如果是更复杂的一点呢？

#include <stdio.h>

struct Node
{
    
	int data;
	struct Node* next;
};

struct Stu
{
    
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	int hight;
};

int main()
{
    
	struct Node n1 = {
     100, NULL };
	struct Stu s1 = {
     "张三", "男", 20, 180 };
	return 0;
}

上面可以看到，我们每次定义结构体的变量都要使用 struct Node，是不是感觉很麻烦？

那么可以使用 typedef来对它进行 重命名，此时我们创建变量就可以使用 重命名

typedef struct 
{
    
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

int main()
{
    
	Node n = {
     0 };
	return 0;
}

编译看下

那么如果结构体的成员是 嵌套 的，那么如何来初始化结构体变量呢？

#include <stdio.h>

struct Stu
{
    
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	int hight;
};

struct Data
{
    
	struct Stu s;
	char ch;
	double d;
};

int main()
{
    
	struct Data d = {
     {
     "李四", "女", 30, 170 }, "w", 3.14 }; //结构体嵌套初始化
	return 0;
}

看一下

2. 结构体传参

思考一下我们结构体传参的时候，传结构体还是传地址呢？

代码示例一

#include <stdio.h>

struct S
{
    
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = {
     {
    1,2,3,4}, 1000 };

//结构体传参
void print1(struct S s)
{
    
	printf("%d\n", s.num);
}

int main()
{
    
	print1(s);  //传结构体

	return 0;
}

代码示例二

#include <stdio.h>

struct S
{
    
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = {
     {
    1,2,3,4}, 1000 };

//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
    
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
    
	print2(&s); //传地址

	return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些呢？

答案是：首选 print2 函数。

原因：

1、函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。

2、如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

3. 结构体内存对齐

关于 结构体的内存对齐 这是一个面试的高频考点，很重要；

代码示例一

首先下面有一段代码，分析一下这个结构体类型的大小是多少个字节呢？

struct S1
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
    
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	
	return 0;
}

第一眼，大家会想到：c1 是 char 类型，占 1 个字节；

i 是 int 类型，占 4 个字节；

c2 是 char 类型，占 1 个字节；

加起来就是 6 个字节，那么究竟是不是呢？运行看一下

咦？这里为什么是 12 呢？

这里我们就需要好好探究一下，但是再这之前，要学习一个东西，叫 offsetof。

offsetof，是一个 宏，它用来返回：一个成员在一个结构体起始位置的偏移量。

也就是，它可以计算一个结构体成员，相较于起始位置的一个偏移量。

用法：

size_t offsetof(structName, memberName);

代码示例

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct S1
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
    
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));

	return 0;
}

运行结果

为什么是 0、4、8 呢？

首先，我们创建一个结构体类型 S1，红色箭头 是结构体的起始位置，从起始位置开始，每个格子代表 1 个字节，第一个格子相较于 起始位置 偏移量是 0；第二个格子相较于 起始位置 偏移量是 1；第三个格子相较于 起始位置 偏移量是 2，以此类推…

根据上面代码的运行结果可以知道，c1 相较于 起始位置 偏移量是 0，并且 c1 是 char 类型，占 1 个字节，所以 c1 成员所占内存空间如下

i 相较于 起始位置 偏移量是 4，并且 i 是 int 类型，占 4 个字节，所以 i 成员所占内存空间如下

c2 相较于 起始位置 偏移量是 8，并且 c2 也是 char 类型，占 1 个字节，所以 c2 成员所占内存空间如下

但是我们计算出来的是 12 个字节呀，也就是说，前 3 个格子和后 3 个格子是没有用到

那么为什么呢？为什么要浪费掉这么多的空间来做这个事情呢？

这个时候，就引入到我们今天的主题 结构体内存对齐 ！

首先得掌握结构体的对齐规则：

1、结构体的第一个成员，存放在结构体变量开始位置的 0 的偏移量处。

2、从第二个成员开始，都要对齐到对齐数的整数倍的地址处。

对齐数 ：成员自身大小和默认对齐数的较小值。

在 VS 环境下，默认的对齐数是 8，S1 中 i 成员自身大小是 4 字节，而 VS 编辑器提供的默认对齐数是 8，取它俩的 最小值 为对齐数，所以 i 的对齐数就是 4；

那么 i 就要对齐到 4 的整数倍的地址处，所以 i 就要放到偏移量为 4 倍数的地址处，换句话说 4 的整数倍包括 4 （这里可能有点点绕）

c2 的自身大小是 1，而默认的对齐数是 8，取它俩的 最小值 为对齐数，所以 c2 的对齐数就是 1；

而任何一个地址处都是 1 的倍数，所以就放到偏移量为 8 的格子处

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 ：是指所有成员的对齐数中最大的那个。

c1 ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

i ：自身大小是 4，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 4；

c2 ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

所以 S1 结构体的总大小必须是 4 的倍数，此时我们对齐完以后在 9 字节的格子处，9 不是 4 的倍数呀！

那么就继续往下对齐，浪费 3 个空间，此时总大小为 12 个字节了（4 的 3 倍）

注意：Linux环境没有默认对齐数，对齐数就是自身的大小

代码示例二

我们基本已经掌握了对齐的规则了，那么把上面的代码稍微调换一下位置

代码示例

#include <stdio.h>

struct S1
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2
{
    
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
    
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

运行结果

那么我们再来算一下 S2 在内存中如何对齐的？

首先结构体第一个成员永远放在 0 偏移处，那么 c1 就放在 0 偏移处

第二个成员 c2 自身大小是 1，默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

而任何一个地址处都是 1 的倍数，所以就放到偏移量为 1 的格子处

第三个成员 i 自身大小是 4，默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 4；

那么就要往下找 4 的倍数，4 的 1 倍是 4，所以 i 对齐到偏移量为 4 的地址处

结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍

c1 ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

c2 ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

i ：自身大小是 4，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 4；

所以 S2 结构体最大对齐数是 4 ，那么总大小必须是 4 的倍数，此时我们对齐完以后在 8 字节的格子处，8 是 4 的倍数；

所以结构体总大小为 8

代码示例三

我们再来看一组代码

代码示例

#include <stdio.h>

struct S3
{
    
	char c1;
	char c2;
	int i;
};


int main()
{
    
	struct S3 s;

	printf("%d\n", sizeof(struct S3));

	return 0;
}

这次我们先画图，画完再来验证

首先结构体第一个成员永远放在 0 偏移处，那么 d 就放在 0 偏移处；

d 是 double 类型，占 8 个字节，所以从 0 偏移处开始，往下放 8 个字节

第二个成员 c2 自身大小是 1，默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

而任何一个地址处都是 1 的倍数，所以就放到偏移量为 8 的格子处

第三个成员 i 自身大小是 4，默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 4；

那么就要往下找 4 的倍数，4 的 3 倍是 12，所以 i 放到到偏移量为 12 的地址处

结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍

d ：自身大小是 8，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 8；

c ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

i ：自身大小是 4，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 4；

所以 S3 结构体最大对齐数是 8 ，那么总大小必须是 8 的倍数，此时我们对齐完以后在 16 字节的格子处，16 是 8 的倍数；

所以结构体总大小为 16

运行结果

代码示例四

既然我们学会了结构体内存对齐的方法，那么思考一下结构体嵌套如何对齐呢？

代码示例

#include <stdio.h>

struct S3
{
    
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
    
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
    
	struct S4 s;

	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

	return 0;
}

我们还是先画图，画完再来验证

首先结构体第一个成员永远放在 0 偏移处，那么 c 就放在 0 偏移处；

c 是 char 类型，占 1 个字节，所以从 0 偏移处开始，往下放 1 个字节

此时第二个成员为结构体，那么引出我们的第四条规则：

4、 如果嵌套了结构体的情况，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。

第二个成员 s3 ，它的最大对齐数是 8，那么也就是说 s3 要对齐到 8 的整数倍处；

因为 8 的 1 倍就是 8，此时 8 地址处的格子没有被占用，所以就放到偏移量为 8 的格子处

s3 刚刚我们计算的是 16 个字节，所以从偏移量 8 的格子开始，向下放 16 个字节

第三个成员 d 自身大小是 8，默认对齐数是 8，所以对齐数是 4；

那么就要往下找 8 的倍数，8 的 3 倍是 24，所以 d 放到到偏移量为 24 的地址处；

所以从偏移量 24 的格子开始，向下放 8 个字节

结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍

c ：自身大小是 1，VS 默认对齐数是 8，取较小值，所以对齐数是 1；

s3 ：是嵌套结构体，它的整体大小就是所有最大对齐数是 8，VS 默认对齐数是 8，所以对齐数是 8；

d ：自身大小是 8，VS 默认对齐数是 8，所以对齐数是 8；

所以 S4 结构体最大对齐数是 8 ，那么总大小必须是 8 的倍数，此时我们对齐完以后在 32 字节的格子处，32 是 8 的倍数；

所以结构体总大小为 32（0~31，就是32个字节）
运行结果

4. 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；
 
某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

• 性能原因：

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。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到呢？

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

代码示例

#include <stdio.h>

struct S1
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2
{
    
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
    
	struct S1 s1;
	struct S2 s2;

	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

运行结果

S1 和 S2 类型的成员一模一样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了一些区别。

所以让占用空间小的成员尽量集中在一起。

5. 修改默认对齐数

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

代码示例

#pragma pack(1) //设置默认对齐数为 1
struct S1
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack() //取消设置的默认对齐数，还原为默认


struct S2 //不设置，默认就是 8
{
    
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
    
	struct S1 s1;
	struct S2 s2;

	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

运行结果

结论：结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。