结构体、联合体内存对齐（例子说明）
2022-12-29 11:29 书书书书君 阅读(1083) 评论(1) 编辑 收藏 举报1. 内存对齐
1.1 为什么需要内存对齐
1、平台原因（移植原因）：各个平台对存储空间的处理有很大的不同，且并不是可以访问任意地址上的任意数据。
2、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，对齐的内存访问仅需一次，不对齐则处理器需要进行两次访问。
按照成员的声明顺序，依次安排对齐，其偏移量为任何一个成员数据类型大小的整数倍。
所以数据内存占据的大小一般都是1、2、4、8的整数倍。
本质：拿空间换时间。
1.2 内存对齐规则
1、一般设置的对齐方式为1，2，4字节对齐方式。结构的首地址必须是结构内最宽类型的整数倍地址；另外，结构体的每一个成员起始地址必须是自身类型大小的整数倍(需要特别注意的是windows下是这样的，但在linux的gcc编译器下最高为4字节对齐），否则在前一类型后补0。
2、结构体的整体大小必须可被对齐值整除，默认4（结构中的类型大小都小于默认的4）。
3、结构体的整体大小必须可被本结构内的最宽类型整除。
2. 结构体大小
2.1 结构体大小计算准则
结构体计算要遵循字节对齐原则。
1、结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除。
2、结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）。
3、结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。
2.2 结构体及结构体数组
struct S1{
char a;
int b;
char c;
}s1; //12
上图中的s1.a大小为1，s1.b大小为4，s1.c大小为1。
s1.a的地址偏移量为0，占据1个内存偏移量。
按照内存对齐规则，s1.b的类型大小为4，因此其地址偏移量需要是4的整数倍，因此应该从偏移量4开始存放，即s1.a的后面需要填充3个0。
s1.b存放完后，偏移量来到了8。
s1.c的类型大小为1，由于偏移量8为1的整数倍，但存放完s1.c后，整体内存大小为9。由于9不能整除s1.b的类型大小（4），因此需要填充到12（12可以整除1和4）。
填充完毕后，整个结构体的内存大小为12。
struct{
short a;
int b[2];
char c[3];
long d;
}s3; //24
32 位系统：
LP32 或 2/4/4（int 为 16-bit，long 和指针为 32 位）: Win16 API
ILP32 或 4/4/4（int，long 和指针都为 32 位） : Win32 API 、Unix 和 Unix 类的系统（Linux，Mac OS X）64 位系统：
LLP64 或 4/4/8（int 和 long 为 32 位，指针为 64 位）：Win64 API
LP64 或 4/8/8（int 为 32 位，long 和指针为 64 位）： Unix 和 Unix 类的系统（Linux，Mac OS X）
上图中的s3.a大小为2；s3.b为整型数组，类型大小为4，内存占据大小为8；s3.c为字符型数组，内存占据大小为3；s3.d在64位程序中内存大小为8。
s3.a的地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。
按照内存对齐规则，s3.b的类型大小为4，因此其地址偏移量需要是4的整数倍，因此应该从偏移量4开始存放，即s3.a的后面需要填充2个0。
s3.b存放完后，偏移量来到了12。
s3.c的类型大小为1，由于偏移量12为1的整数倍，可以继续存放完s3.c后，内存偏移量来到15。
按照内存对齐规则，s3.d的类型大小为8，由于15不能整除s3.d的大小（8），因此需要填充到16（16可以整除2、1、4和8）。
存放完s3.d后，内存偏移量来到了24。由于24可以整除2、1、4、8，因此结构体整体内存大小为24。
2.3 结构体内嵌结构体
struct S1{
char a;
int b;
char c;
};
struct{
short a;
struct S1 ss1;
char c;
}s2; //20
上图中的s2.a大小为2；s2.ss1为内嵌的结构体，从上述章节 结构体及结构体数组 的第一个案例可知其最大的数据类型大小为4，占据内存大小为12；s2.c的类型大小为1。
s2.a的地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。
按照内存对齐规则，s2.ss1的内嵌结构体中最大类型int的大小为4，因此s2.ss1地址偏移量需要是4的整数倍，因此应该从偏移量4开始存放，即s2.a的后面需要填充2个0。
s2.ss1存放完后，偏移量来到了16。
s2.c的类型大小为1，由于偏移量16为1的整数倍，可以继续存放完s2.c后，内存偏移量来到17。
由于17不可以整除2、4、1，因此需要填充到20，填充完毕后，结构体整体内存大小为20。
上述验证的结果可以查看如下折叠代码，其他的验证方法类似，这里就不再补充了。
点击查看代码
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main()
{
struct S1{
char a;
int b;
char c;
}s1;
struct{
short a;
int b[2];
char c[3];
long d;
}s3;
struct{
short a;
struct S1 ss1;
char c;
}s2;
printf("结构体s1的长度 = %d\n", sizeof(s1));
printf("s1.a=%d \t s1.b=%d \t s1.c=%d\n",&s1.a,&s1.b,&s1.c);
printf("s1.a的类型大小：%d\t s1.b的类型大小：%d\t s1.c的类型大小：%d\n",sizeof(s1.a),sizeof(s1.b),sizeof(s1.c));
printf("s1的 a->b内存间距:%d\t b->c内存间距:%d\t c内存大小:%d\n",abs(abs(&s1.a)-abs(&s1.b)),abs(abs(&s1.b)-abs(&s1.c)),abs(&s1.a)+sizeof(s1)-abs(&s1.c));
printf("\n数组结构体s3的长度 = %d\n", sizeof(s3));
printf("s3.a=%d \t s3.b=%d \t s3.c=%d \t s3.d=%d\n",&s3.a,&s3.b,&s3.c,&s3.d);
printf("s3.a的类型大小：%d\t s3.b的类型大小：%d\t s3.c的类型大小：%d\t s3.d的类型大小：%d\n",sizeof(s3.a),sizeof(s3.b),sizeof(s3.c),sizeof(s3.d));
printf("s3的 a->b内存间距:%d\t b->c内存间距:%d\t c->d内存间距:%d\t d内存大小:%d\n",abs(abs(&s3.a)-abs(&s3.b)),abs(abs(&s3.b)-abs(&s3.c)),abs(abs(&s3.c)-abs(&s3.d)),abs(&s3.a)+sizeof(s3)-abs(&s3.d));
printf("\n嵌套结构体s2的长度 = %d\n", sizeof(s2));
printf("s2.a=%d \t s2.ss1=%d \t s2.c=%d\n",&s2.a,&s2.ss1,&s2.c);
printf("s2.a的类型大小：%d\t s2.ss1的类型大小：%d\t s2.c的类型大小：%d\n",sizeof(s2.a),sizeof(s2.ss1),sizeof(s2.c));
printf("s2的 a->ss1内存间距:%d\t ss1->c内存间距:%d\t c内存大小:%d\n",abs(abs(&s2.a)-abs(&s2.ss1)),abs(abs(&s2.ss1)-abs(&s2.c)),abs(&s2.a)+sizeof(s2)-abs(&s2.c));
}
运行结果如下：
结构体s1的长度 = 12
s1.a=1075126228 s1.b=1075126232 s1.c=1075126236
s1.a的类型大小：1 s1.b的类型大小：4 s1.c的类型大小：1
s1的 a->b内存间距:4 b->c内存间距:4 c内存大小:4
数组结构体s3的长度 = 24
s3.a=1075126192 s3.b=1075126196 s3.c=1075126204 s3.d=1075126208
s3.a的类型大小：2 s3.b的类型大小：8 s3.c的类型大小：3 s3.d的类型大小：8
s3的 a->b内存间距:4 b->c内存间距:8 c->d内存间距:4 d内存大小:8
嵌套结构体s2的长度 = 20
s2.a=1075126160 s2.ss1=1075126164 s2.c=1075126176
s2.a的类型大小：2 s2.ss1的类型大小：12 s2.c的类型大小：1
s2的 a->ss1内存间距:4 ss1->c内存间距:12 c内存大小:4
3. 联合体大小
1、联合体的大小取决于他所有成员中占用空间最大的一个成员的大小。
2、当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数类型的整数倍。
3.1 联合体及联合体数组
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
}u1; //8
u1.a的类型为字符型数组，占据内存空间大小为6；u1.b内存大小为4；u1.c内存大小为1。
根据联合体大小的规则，可知最大为u1.a的长度6。
但6不是数据类型中最长的int的4的整数倍，因此需要填充对齐到8。
填充完毕后，联合体的整体内存大小为8。
3.2 联合体内嵌联合体
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
};
union{
char a[9];
int b;
union U1 uu1;
}u2; //12
u2.a的类型为字符型数组，占据内存空间大小为9；u2.b内存大小为4；u2.uu1为内嵌的联合体，从上述章节 联合体及联合体数组 可知其内存空间大小为8，即该u2.uu1占据空间为8。
根据联合体大小的规则，成员中占据内存空间最大的为u2.a为9，但9不是2、4、1的整数倍，因此需要填充到12。
填充完毕后，联合体的整体内存大小为12。
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
};
union{
char a[7];
int b;
union U1 uu1;
}u3; //8
同理，此处联合体u3的所有成员中最大的内存为u3.uu1的8，且8是2、4、1的整数倍，因此不需要进行填充了。
4. 结构体 & 联合体
下面介绍结构体和联合体之间内嵌之后的内存大小的计算方式。
4.1 结构体内嵌联合体
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
};
struct{
short a;
union U1 uu1;
}s4; //12
s4.a的类型大小为2，地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。
根据上述章节 联合体及联合体数组 可以知道s4.uu1的内存大小为8，其内最大类型int的大小为4，因此偏移量需要是4的整数倍，因此应该从偏移量4开始存放，占据8个内存空间。
s4.uu1存放完后，偏移量来到了12。由于12是2、1、4的整数倍，因此该结构体s4的内存大小为12。
4.2 联合体内嵌结构体
struct S1{
char a;
int b;
char c;
};
union U1{
char a[6];
int b;
struct S1 ss1;
}u5; //12
u5.a的类型为字符型数组，内存大小为6；u5.b占据的内存大小为4；根据上述章节 结构体及结构体数组 可以知道u5.ss1占据的内存大小为12。
根据联合体大小的规则，最大成员u5.ss1占据的内存大小为12。由于12是2、1、4的整数倍，因此该联合体u5的内存大小为12。
4.3 复杂的内嵌
struct S1{
char a;
int b;
char c;
};
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
};
struct{
short a;
struct S1 ss1;
union U1 uu1;
}s4;
上图中的s4.a类型为短整型，地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。
根据上述章节可知 s4.ss1 内最大类型int的大小为4，占据的内存大小为12。按照结构体内存大小的规则，s4.ss1的偏移量应该为4的整数倍，因此应该从偏移地址4开始存放。
s4.ss1存放完毕后，偏移量来到16。
根据上述章节可知s4.uu1 内最大类型int的大小为4，占据的内存大小为8。按照结构体内存大小的规则，当前地址偏移量16可以满足是4的整数倍，因此直接进行存放s4.uu1。
s4.uu1存放完毕后，偏移量来到24。由于24可以整除2、4、1，因此不需要再进行填充对齐，结构体s4的整体内存大小为24。
struct S1{
char a;
int b;
char c;
};
union U1{
char a[6];
int b;
char c;
};
struct{
char a[2];
int b;
short c;
struct S1 ss1;
union U1 uu1;
}s5;
这里的分析过程同上，可自行试试。
5. 指定字节对齐
除了由操作系统自动按数据结构分配内存外，还支持自己更改默认对齐数来修改内存。
#pragma pack宏声明 可以改变对齐规则。
#pragma pack(1) // 直接紧凑排列，不需要填充
#pragma pack(n) // 指定n为对齐格式的字节数，一般建议设为2^m
#pragma pack() //取消对齐格式操作，恢复缺省按照8字节对齐
5.1 指定字节对齐后的大小
#pragma pack(1)
struct{
char a[2];
int b;
short c;
}s6;
由于在结构体s6的前面有#pragma pack(1)，因此采取紧凑排列的方式，内存上如上图的方式。整体紧凑排列存放后，结构体的内存大小为8。
由于在结构体s6的前面有#pragma pack(3)，因此采取3为对齐字节数的方式。
s6.a的地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。此时地址偏移量来到2，由于s6.b类型为int，类型大小为4，且2不是3的整倍数，因此需要补充1个0填充到3。
s6.b存放到地址偏移量为3的位置，存放完毕后，地址偏移量来到了7。由于7不是3的整倍数，因此需要补充2个0填充到9。
s6.c存放到地址偏移量为9的位置，存放完毕后，地址偏移量来到了11。由于11不是3的整数倍，因此需要补充1个0填充到12。
全部填充完毕后，该结构体整体内存大小为12。
注：此处的对齐字节3，只是为了测试。在某些GCC中，会严格要求对齐字节按照\(2^m\)来进行选择，因此可能会出现如下报错信息：
main.c: In function ‘main’:
main.c:56:10: warning: alignment must be a small power of two, not 3 [-Wpragmas]
56 | #pragma pack(3)
| ^~~~
由于在结构体s6的前面有#pragma pack(8)，因此采取8为对齐字节数的方式。但结构体s6的所有成员中最大类型int的大小为4，而此时指定的对齐字节8已经超过结构体成员类型的最大值，因此继续采取最大类型的大小作为对齐数。
s6.a的地址偏移量为0，占据2个内存偏移量。
s6.b类型大小为4，因此当前地址偏移量2不满足条件，因此需要补充2个0填充到4来存放。
s6.b存放完毕后，地址偏移量来到8。由于s6.c类型大小为2，当前偏移量8满足条件，因此继续存放。
s6.c存放完毕后，地址偏移量来到10。由于10不是2、4的整数倍，因此需要补充2个0来到12。
5.2 取消指定字节对齐的大小
struct{
char a[5];
short b[2];
long c;
}s6; //24
#pragma pack(4)
struct{
char a[5];
short b[2];
long c;
}s7; //20
#pragma pack()
struct{
char a[5];
short b[2];
long c;
}s8; //24
此处按照4字节对齐，s7.a和s7.b的类型大小都是小于4的，按照其自身类型的整数倍来进行对齐；
但s7.c类型大小为8，超过了指定的4，因此指定生效，s7.c按照4的整数倍对齐，即上图中的地址偏移量12处进行存放s7.c。
存放完毕后，整体地址偏移量来到20，刚好满足指定字节的整数倍，因此整体结构体内存大小为20。
此处已经使用了#pragma pack()取消了4字节对齐，因此此处采取各个结构体成员类型的整数倍进行对齐。
5.3 指定字节对嵌套结构体的影响
#pragma pack(4)
struct S2{
char a[3];
long b;
int c;
};
// #pragma pack()
struct{
char a[5];
short b[2];
struct S2 ss2;
long c;
}s8; //36
不取消指定对齐、对嵌套的影响：
依旧采取前面指定的字节对齐，且内嵌的结构体也会采取该字节对齐。
此处已经设置了#pragma pack(4)，按照4字节对齐，因此结构体s8的成员应该均按照4字节进行内存偏移量对齐：
s8.ss2中的long b和s8.c的类型长度为8，超出了指定的4字节对齐，因此需要按照4字节对齐进行存放。
因此如果ss2.a地址偏移量为0时，ss2.b就从偏移量4开始存放。
因此在结构体s8的内存示意图中，s8.b从偏移量8开始存放，s8.ss2从12开始存放，s8.c从28开始存放。
全部存放完毕后，地址偏移量来到36，刚好满足是指定4字节对齐的整数倍，因此不需要再进行填充。
5.4 取消字节对嵌套结构体的影响
#pragma pack(4)
struct S2{
char a[3];
long b;
int c;
};
#pragma pack()
struct{
char a[5];
short b[2];
struct S2 ss2;
long c;
}s8; //40
在嵌套结构体前取消指定位数对齐，此时后面的嵌套结构体中嵌套的长度仍然按前面字节对齐进行；
在取消对齐前定义的结构体，在取消对齐之后再调用，仍然按之前对齐的字节来执行。
嵌套的结构体的最大类型长度是包含了嵌套结构体内类型，即全部成员的类型的最大长度来对齐。
此处在结构体s8的前面已经使用了#pragma pack()取消了前面设置的指定4字节对齐的要求，因此此处的s8按照其结构体成员的类型大小来在内存中进行存放。
由于s8内部嵌套的结构体ss2在#pragma pack()之前，因此依旧按照指定4字节对齐的要求来进行存放（图中类型大小的橙色字体的4），即如果ss2.a从地址偏移量0开始存放，ss2.b就从地址偏移量4开始存放。
