C语言结构体中的内存对齐

C语言结构体内存对齐

在C语言编程中，结构体是一种非常重要的数据类型，它允许我们将不同类型的数据组合在一起。然而，当涉及到结构体在内存中的存储时，有一个关键的概念——内存对齐，这往往容易被忽视，但却对程序的性能和内存使用有着重要影响。
一、结构体大小计算的“理论”与“实际”差异

首先，我们可能会想当然地认为，结构体的大小就是其所有成员大小的简单相加。比如，有这样一个结构体：

1. struct studentinfo
2. {
3.     char name[128];
4.     int *p;
5.     short b;
6.     int c;
7.     unsigned int age;
8.     char sex[20];
9. };

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理论上计算各成员大小之和：128 + 8 + 2 + 4 + 4 + 20 = 166字节（在64位系统中，指针int *p占8字节）。但实际通过sizeof运算符计算时，在64位系统下得到的结果是168字节，和理论值存在偏差。这是为什么呢？
二、内存对齐的原因

这就涉及到内存对齐了。计算机为了提高CPU的寻址效率，在存储数据时会进行内存对齐。一般来说，嵌入式系统多采用32位系统，CPU的地址总线是32位，为了提升CPU的工作效率，寻址通常以4字节为单位。当数据宽度不足4字节时，系统会默认提供4字节内存方便CPU寻址，这种方式就是字节对齐。
我们可以通过示意图来理解：

• 地址未对齐的情形：CPU读取数据时可能需要多次读取，比如要读取一段数据，可能需要读取3次才能获取完整数据。
  
• 地址已对齐的情形：CPU可以更少次数地读取到完整数据，比如2次就可以，大大提高了效率。
  

所以，计算结构体大小时考虑内存对齐是典型的“以空间换时间”的案例，用少量的内存空间浪费换取CPU寻址效率的提升。
三、结构体大小计算示例

来看一个具体的题目：

1. //假设是32bit系统
2. #include <stdio.h>
3. struct A{
4.     int i;
5.     char j;
6.     char * ptr;
7.     long Array[100];
8.     char b[2];
9.     char * c;
10. };
11. int main()
12. {
13.     printf("%d\n", sizeof(struct A));
14.     return 0;
15. }

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在32位系统中，各成员的对齐数（自身大小）如下：

• int i：4字节（对齐数4）
  
• char j：1字节（对齐数1）
  
• char *ptr：4字节（指针在32位系统中占4字节，对齐数4）
  
• long Array[100]：每个long占4字节（对齐数4），数组整体占4×100=400字节
  
• char b[2]：2字节（对齐数1，数组整体占2字节）
  
• char *c：4字节（对齐数4）
  

分步计算过程：

• int i：
  从地址0开始存储，占用4字节（地址0~3）。
  
• char j：
  对齐数为1，可紧跟在i之后，从地址4开始，占用1字节（地址4）。
  
• char *ptr：
  对齐数为4，需从4的整数倍地址开始。当前已用地址到4，下一个4的整数倍地址是8，因此从地址8开始存储，占用4字节（地址8~11）。
  注意：地址5~7为填充空间（3字节，因j只占1字节，需补齐到4的整数倍才能存放ptr）。
  
• long Array[100]：
  对齐数为4，当前已用地址到11，下一个4的整数倍地址是12，从地址12开始存储，占用400字节（地址12~411）。
  
• char b[2]：
  对齐数为1，紧跟Array之后，从地址412开始，占用2字节（地址412~413）。
  
• char *c：
  对齐数为4，需从4的整数倍地址开始。当前已用地址到413，下一个4的整数倍地址是416，从地址416开始存储，占用4字节（地址416~419）。
  注意：地址414~415为填充空间（2字节）。
  

总大小计算：

所有成员存储结束后，最后一个成员c占用到地址419，此时已用空间为420字节（0~419共420字节）。
由于结构体最大对齐数为4（所有成员的对齐数均不超过4），420是4的整数倍（420÷4=105），满足整体对齐要求。
因此，结构体struct A的大小为420字节。
四、按需分配内存：取消内存对齐

在某些嵌入式产品中，内存大小极其有限，我们希望内核在分配内存单元时采用“按需分配”的原则，也就是取消内存对齐。这时候可以使用C语言标准的预处理指令#pragma pack(n)，其中n的值可以是1、2、4、8等，用于进行字节对齐以及取消字节对齐。

例如：

1. #pragma pack(1)  // 取消字节对齐 64bit系统下
2. struct studentinfo
3. {
4.     char name[10];
5.     int *p;
6.     short b;
7.     char c;
8.     int a;
9.     unsigned int age;
10. };
11. #pragma pack()  // 恢复字节对齐

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在取消字节对齐后，计算结构体大小就是各成员大小的简单相加，比如上述结构体计算得到的大小是29字节，相比有内存对齐时的大小，节省了内存空间，不过这是以牺牲CPU寻址效率为代价的。
五、总结

内存对齐是C语言中一个重要的概念，它平衡了内存空间和CPU寻址效率。在大多数情况下，默认的内存对齐能够很好地提升程序性能。但在内存资源极度紧张的场景下，我们可以通过#pragma pack指令来取消内存对齐，实现“按需分配”内存。

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