大家好，我是嵌入式老林，從事嵌入式軟件開發(fā)多年，今天分享的內(nèi)容是C語言結(jié)構(gòu)體對齊介紹，希望能對你有所幫助

摘要：最近有粉絲說在筆試的時候，經(jīng)常遇到求結(jié)構(gòu)體字節(jié)數(shù)的問題，做完后不知道自己寫對了沒。這篇文章就來介紹一下結(jié)構(gòu)體對齊的計算方法。不知道你們筆試的時候有沒有遇到這種題目呢？

一、字節(jié)對齊的基本概念

1.1 什么是字節(jié)對齊

在C語言中，結(jié)構(gòu)是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類型（如數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合等）的數(shù)據(jù)單元。在結(jié)構(gòu)中，編譯器為結(jié)構(gòu)的每個成員按其自然邊界（alignment）分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結(jié)構(gòu)的地址相同。

為了使CPU能夠?qū)ψ兞窟M行快速的訪問,變量的起始地址應(yīng)該具有某些特性，即所謂的”對齊”。比如4字節(jié)的int型，其起始地址應(yīng)該位于4字節(jié)的邊界上，即起始地址能夠被4整除。

1.2 為什么需要字節(jié)對齊

當我們在C語言中定義結(jié)構(gòu)體時，編譯器會對結(jié)構(gòu)體的成員進行內(nèi)存對齊，以提高訪問效率和節(jié)約內(nèi)存。如果沒有對齊的話，CPU在取數(shù)的時候，會花更多的指令周期。

一個32位系統(tǒng)，假設(shè)有個整型變量的地址不是自然對齊，比如為0x00000002，則CPU取它的值需要訪問兩次內(nèi)存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個short，然后組合得到所要的數(shù)據(jù)；如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問三次內(nèi)存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然后組合得到整型數(shù)據(jù)。而如果變量在自然對齊位置上，則只要訪問一次就可以取出數(shù)據(jù)

1.3 結(jié)構(gòu)體對齊的規(guī)則

1,結(jié)構(gòu)體的第一個成員永遠放在結(jié)構(gòu)體起始位置偏移為0的地址

2,結(jié)構(gòu)體從第二個成員，總是放在一個對齊數(shù)的整數(shù)倍數(shù)

對齊數(shù) = 編譯器默認的對齊數(shù)和變量自身大小的較小值

3,結(jié)構(gòu)體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

4,如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對齊到自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

二、結(jié)構(gòu)體對齊的計算

2.1 例子一

先來看一下這個結(jié)構(gòu)體占了幾個字節(jié)，說明一下，下面的例子都是在32bit系統(tǒng)上運行的

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




int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    int i;
    char c2;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, i:%d, c2:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c2));
  printf("addr c1:%x, i:%x, c2:%x
", &st.c1, &st.i, &st.c2);




  return 0;
 }

運行結(jié)果，這個結(jié)構(gòu)體占12個字節(jié)

先來介紹一下offsetof(）這個宏，如果想知道結(jié)構(gòu)體的某個成員相對于結(jié)構(gòu)體的首地址的偏移量，可通過這個宏獲取，這個宏在頭文件stddef.h中。我們看到結(jié)構(gòu)體中的成員c1，i，c2分別相對于結(jié)構(gòu)體的首地址偏移0，4，8

解釋：c1按1字節(jié)對齊，但i為int類型，按4字節(jié)對齊，所以不能緊跟其后，i的地址要為4的整數(shù)倍，所以在c1后空出了3字節(jié)開始存放，c2為1字節(jié)對齊，緊跟在i后面即可，這樣算的話，總字節(jié)數(shù)為9，但結(jié)構(gòu)體的總大小要為最大對齊數(shù)的整數(shù)倍，這個結(jié)構(gòu)體的最大對齊數(shù)就是4，所以得在c2的后面再補3個字節(jié)，所以這個結(jié)構(gòu)體就占用了12字節(jié)。

假設(shè)下圖左邊那一列是變量存放的地址，右邊是存放的變量

如果將上面例子的結(jié)構(gòu)體成員換一下位置，結(jié)果又是怎樣的呢？

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


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    char c2;
    int i;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, c2:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x, c2:%x, i:%x
", &st.c1, &st.c2, &st.i);

  return 0;
 }

運行結(jié)果：

解釋：c1和c2分別按1字節(jié)對齊，所以c2緊跟c1后面，i按4字節(jié)對齊，所以空2個字節(jié)，再存放i。那么整個結(jié)構(gòu)體大小為8字節(jié)，也滿足是最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。

實際上，這兩個例子不管是32bit還是64bit的系統(tǒng)，結(jié)果都是一樣的，因為char類型和int類型在32bit和64bit系統(tǒng)中，占用的空間是一樣的。當然了，最好是在使用前先用sizeof測一下每種類型在當前環(huán)境中占用的大小。

因此，在實際項目開發(fā)中，如果定義的結(jié)構(gòu)體有很多成員，盡可能地把同類型的成員放在一起，這樣可以節(jié)省一些空間。

2.2 例子二

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


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    short s1;
    char c2;
    int i;
    char c3;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, s1:%d, c2:%d, i:%d, c3:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c3));
  printf("addr c1:%x, s1:%x, c2:%x, i:%x, c3:%x
", &st.c1, &st.s1, &st.c2, &st.i, &st.c3);

  return 0;
 }

運行結(jié)果：

解釋：c1為1字節(jié)對齊，s1為2字節(jié)對齊，地址要為2的整數(shù)倍，所以不能緊跟c1后面，得從2開始，c2是1字節(jié)對齊，i為4字節(jié)對齊，不能從地址5開始存放，否則CPU訪問的時候需要很多次，甚至可能會出錯。所以要在c2后空出3字節(jié)，i從地址8開始，c3為1字節(jié)對齊，緊跟其后即可，累加起來為13個字節(jié)，結(jié)構(gòu)體總大小又要為最大對齊數(shù)整數(shù)倍，所以該結(jié)構(gòu)體大小為16

那么，將同種類型的成員都放在一起，又占用了多少空間呢？

實際結(jié)果：

2.3 例子三

看一下帶結(jié)構(gòu)體嵌套的如何計算：

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


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    int j;
    char c;
  }MyS1;

  typedef struct
  {
    char c1;
    MyS1 my_s1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  my_s1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

解釋：看了前面幾個例子的分析，相信這個結(jié)構(gòu)體嵌套的大家也會，原理是一樣的。c1為1字節(jié)對齊，嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1中的 j 為4字節(jié)對齊，地址要為4的整數(shù)倍，所以c1后要空出3個字節(jié)，c為1個字節(jié)，緊跟 j 后，s1為2字節(jié)，在c后面空出2個字節(jié)，i 是4個字節(jié)，s1后面再空2個字節(jié)保持對齊，這樣的話，就是 4+4+2+2+4=16，最大對齊數(shù)是4，16也是4的整數(shù)倍。因此，這個結(jié)構(gòu)體大小為16字節(jié)。有沒有很多同學(xué)會犯這個錯誤呢？

不要忽略了嵌套結(jié)構(gòu)體的自身的對齊，嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1的最大對齊數(shù)為4，因此嵌套的結(jié)構(gòu)體my_s1的結(jié)構(gòu)體大小要為4的整數(shù)倍，所以my_s1的結(jié)構(gòu)體大小為8字節(jié)，所以，這個結(jié)構(gòu)體的大小為20字節(jié)

運行結(jié)果：

那么將嵌套結(jié)構(gòu)體中的int類型改成double類型，又是多少呢？

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


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    double j;
    char c;
  }MyS1;

  typedef struct
  {
    char c1;
    MyS1 my_s1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  my_s1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

運行結(jié)果：

這個我就不帶著大家一步一步算了，自己算一下，看下你學(xué)會了沒

2.4 例子四

看一下帶聯(lián)合體嵌套的如何計算

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


int main(void)
{

  typedef struct
  {
    char c1;
    union
    {
      int j;
      char c[8];
    }MyUnion;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, MyUnion:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, MyUnion), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  MyUnion:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.MyUnion, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

解釋：這里要注意一點就是，聯(lián)合體的各成員共用一塊內(nèi)存空間，并且同時只有一個成員可以得到這塊內(nèi)存的使用權(quán)(對該內(nèi)存的讀寫)，各變量共用一個內(nèi)存首地址。

運行結(jié)果：

個人覺得也不用刻意去記這些規(guī)則吧，重在理解，記規(guī)則的話，很久沒用了估計就忘了。多看看，多筆算算就清楚了?？戳饲懊娴姆治觯鋵嵕蛢牲c，第一個就是結(jié)構(gòu)體成員變量存放的地址是該變量類型的整數(shù)倍；第二點就是結(jié)構(gòu)體的大小為最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。

三、修改對齊方式

3.1 使用偽指令#pragma pack (n)

如果你不想使用編譯器的默認對齊方式，可通過以下方式修改結(jié)構(gòu)體的字節(jié)對齊方式

在定義的結(jié)構(gòu)體前后加上這兩條指令，n表示你想讓這個結(jié)構(gòu)體按照幾字節(jié)對齊。

· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個字節(jié)對齊。

· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對齊方式。

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


int main(void)
{
  #pragma pack (1)
  typedef struct
  {
    char c1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  #pragma pack ()
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

運行結(jié)果：

因為已經(jīng)設(shè)定了按1字節(jié)對齊，所以就是，c1為1字節(jié)，s1為2字節(jié)，i 為2字節(jié)，加起來就是 7 字節(jié)。

改成按2字節(jié)對齊又是多少呢？

實際就是c1后面再空了一個字節(jié)