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🤣本文内容🤣：🍭介绍内存对齐、手把手教你计算结构体大小🍭
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目录
- 🎄一、内存对齐是什么？
- 🎄二、为什么需要内存对齐？
- 🎄三、计算结构体大小
-
- [✨3.1 对齐参数](#✨3.1 对齐参数)
- [✨3.2 计算结构体大小的步骤和例子](#✨3.2 计算结构体大小的步骤和例子)
- [🎄四、#pragma pack 的使用方法](#pragma pack 的使用方法)
-
- [✨4.1 用法一：#pragma pack (n)、#pragma pack ()](#pragma pack (n)、#pragma pack ())
- [✨4.2 用法二：#pragma pack(push)、#pragma pack(n)、#pragma pack(pop)](#pragma pack(push)、#pragma pack(n)、#pragma pack(pop))
- 🎄五、总结
🎄一、内存对齐是什么？
内存对齐（Memory Alignment） 是指将数据存储在内存中时，是按照特定的规则将数据放置在地址为其大小倍数的位置上。具体而言，内存对齐要求变量的起始地址是它对齐参数的整数倍。
看下面这两个结构体，看看按照内存对齐的要求，是怎么存储的：
c
struct Test1
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
struct Test2
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};两个结构体虽然结构体成员一样，但他们所占用的内存大小却不一样，Test1占用12个字节，Test2占用8个字节，他们在内存中的存储大致如下图：
看看struct Test1按照内存对齐要求是怎样安排的，假设结构体首地址为0：
- 成员
c1自身大小为 1 个字节，是结构体第一成员，所以直接在地址0； - 成员
s自身大小为 2 个字节，按照要求，其起始地址必须是 2 的整数倍，所以不能放在地址1的位置，起始地址为地址2； - 成员
c1自身大小为 1 个字节，起始地址需要为 1 的整数倍，直接安排在地址4； - 成员
i自身大小为 4 个字节，起始地址需要为 4 的整数倍，从地址5开始往后找，地址8是4的整数倍。
🎄二、为什么需要内存对齐？
计算机处理器为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。
所以，内存对齐的主要目的是提高访问数据的效率。当数据按照规定的对齐方式存放在内存中时，处理器可以更快地读取和存储数据，而不需要执行额外的内存操作。未对齐的数据可能导致性能下降，甚至在某些架构中导致程序崩溃。
所以，默认情况下，编译器都会将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。
🎄三、计算结构体大小
按照内存对齐的要求，结构体在内存中是怎么存储的？这小节介绍复杂结构体各个成员在内存中怎么存储？
这里的复杂结构体是指包含了结构体和数组的结构体。先看看下面结构体ST_2，你能清楚它各个成员的在结构体中的偏移量吗？
c
typedef struct st
{
char c; // 起始地址 0; 结束地址 1
int i; // 起始地址 4; 结束地址 8
double d; // 起始地址 8; 结束地址 16
}ST; // 结构体大小 16 字节
typedef struct st2
{
char c;
int i;
ST st;
double d;
char c2;
ST st_arr[3];
long l;
int i_arr[9];
}ST2;✨3.1 对齐参数
在计算结构体大小之前，先了解几个概念：
-
对齐参数：编译器进行内存对齐时，会涉及到一个对齐参数，不同的对齐参数，计算出来的结构体大小会不一样。可以通过下面代码查看编译器的默认对齐参数，(并非"32位系统就是4，64位系统为8")；
c// default_align.c // gcc default_align.c -std=c11 #include <stdio.h> #include <stddef.h> int main(void) { printf("Default alignment: %zu\n", __alignof__(max_align_t)); printf("Biggest alignment: %d\n", __BIGGEST_ALIGNMENT__); return 0; } -
基础数据类型的对齐方式：对齐参数就是类型大小；
-
数组的对齐方式：对齐参数就是
单个数组元素的大小。比如：char a[3];它的对齐方式和分别写 3 个 char 是一样的；也就是说它还是按 1 个字节对齐。 -
结构体的对齐方式：对齐参数就是
成员中的最大对齐参数。比如：上面的结构体ST，对齐参数就是成员d的对齐参数 8。
✨3.2 计算结构体大小的步骤和例子
计算结构体大小的步骤(计算各个成员的地址)：
- 1、确定成员对齐参数：成员的对齐参数是
自身对齐参数与系统对齐参数中较小的一个。- 2、确定成员起始地址：起始地址为
成员对齐参数的整数倍；- 3、确定结构体大小：最终结构体大小必须是最大对齐参数的整数倍。
按照步骤计算上面
ST2结构体大小，假设结构体起始地址为0，系统对齐参数为 4，系统是32位系统：
第一个成员
c：位于结构体第一个，起始地址为 0，结束地址为 1；第二个成员
i：自身对齐参数为 4 (sizeof(int)=4)，等于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址1开始数，找到4的整数倍，结果为 4，所以起始地址为 4，结束地址为 8；
第三个成员
st：自身对齐参数为 8 (ST结构体最大对齐参数为8)，大于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址8开始数，找到4的整数倍，结果为 8，所以起始地址为 4，结束地址为 24；
第四个成员
d：自身对齐参数为 8 (sizeof(double)=8)，大于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址24开始数，找到4的整数倍，结果为 24，所以起始地址为 24，结束地址为 32；
第五个成员
c2：自身对齐参数为 1 (sizeof(char)=1)，小于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为1；起始地址为：从上个成员结束地址32开始数，找到1的整数倍，结果为 32，所以起始地址为 32，结束地址为 33；
第六个成员
st_arr：是一个结构体数组，对齐参数就是单个数组元素的对齐参数，数组元素又是一个结构体ST，按照该结构体最大对齐参数8作为自身对齐参数，大于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址33开始数，找到4的整数倍，结果为 36，所以起始地址为 36，结束地址为 84；
第七个成员
l：自身对齐参数为 4 (sizeof(double)=4)，等于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址84开始数，找到4的整数倍，结果为 84，所以起始地址为 84，结束地址为 88；
第八个成员
i_arr：是一个结构体int型数组，数据元素是int类型的，所以自身对齐参数为 4 (sizeof(int)=4)，等于系统对齐参数 4，所以成员对齐参数为4；起始地址为：从上个成员结束地址88开始数，找到4的整数倍，结果为 88，所以起始地址为 88，结束地址为 124；
计算完成员地址后，找出最大对齐参数，这个例子是 4，目前内存存储到124个字节，是4的整数倍，所以结构体
ST2的大小是 124。
可以使用下面的代码验证是否计算正确：
c
// memAlign.c
// gcc memAlign.c -o memAlign
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#pragma pack (4)
typedef struct st
{
char c; // 起始地址 0; 结束地址 1
int i; // 起始地址 4; 结束地址 8
double d; // 起始地址 8; 结束地址 16
}ST; // 结构体大小 16 字节
typedef struct st2
{
char c;
int i;
ST st;
double d;
char c2;
ST st_arr[3];
long l;
int i_arr[9];
}ST2;
#pragma pack ()
int main(void)
{
printf("c:%zu i:%zu st:%zu d:%zu c2:%zu st_arr:%zu l:%zu i_arr:%zu\n",
offsetof(ST2, c), offsetof(ST2, i), offsetof(ST2, st),
offsetof(ST2, d), offsetof(ST2, c2), offsetof(ST2, st_arr),
offsetof(ST2, l), offsetof(ST2, i_arr));
return 0;
}
🎄四、#pragma pack 的使用方法
#pragma pack 可以用来改变编译器的默认对齐方式，也就是改变上文提到的系统对齐参数；
#pragma pack(n) 的n只能是2的次方幂，目前测试了，n的值可以为1、2、3、8、16，当设置32时会报错。
✨4.1 用法一：#pragma pack (n)、#pragma pack ()
使用指令#pragma pack (n)，编译器将按照 n 个字节对齐。
使用指令#pragma pack ()，编译器将取消自定义字节对齐方式。
用法可以参考下面代码，表示从#pragma pack (4)开始到#pragma pack ()之间的代码的系统对齐参数是4：
c
#pragma pack (4)
typedef struct st
{
char c; // 起始地址 0; 结束地址 1
int i; // 起始地址 4; 结束地址 8
double d; // 起始地址 8; 结束地址 16
}ST; // 结构体大小 16 字节
typedef struct st2
{
char c;
int i;
ST st;
double d;
char c2;
ST st_arr[3];
long l;
int i_arr[9];
}ST2;
#pragma pack ()✨4.2 用法二：#pragma pack(push)、#pragma pack(n)、#pragma pack(pop)
#pragma pack(push)：保存当前对其方式到 packing stack；
#pragma pack(n)：设置编译器按照 n 个字节对齐；
#pragma pack(pop)：packing stack 出栈，并设置为对齐参数；
用法参考下面代码：
c
#pragma pack (push) // 保存现在的对齐参数
#pragma pack (4) // 将对齐参数改为 4
typedef struct st
{
char c; // 起始地址 0; 结束地址 1
int i; // 起始地址 4; 结束地址 8
double d; // 起始地址 8; 结束地址 16
}ST; // 结构体大小 16 字节
typedef struct st2
{
char c;
int i;
ST st;
double d;
char c2;
ST st_arr[3];
long l;
int i_arr[9];
}ST2;
#pragma pack (pop) // 恢复之前保存的对齐参数
🎄五、总结
本文介绍内存对齐，也解释了为什么需要内存对齐，最后演示了一个结构体是怎样按照计算占用内存大小的。
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