C语言结构体之内存对齐

C语言结构体之内存对齐

1、什么是内存对齐

首先看一个例子，下面有一个结构体：

struct structTest1
{
    char  c1;
    short s;
    char  c2;
    int   i;    
};

假设这个结构体成员在内存中是紧凑排列的，那么c1的存储地址就是0，s的存储地址是1-2，c2的存储地址是3，i的存储地址是4-7，c1的地址是0000000000000000，s的地址是0000000000000001，c2的地址是0000000000000003，i的地址是0000000000000004，整个结构体所占内存是8。但是写一个程序输出一下，则会得到不同的结果。

#include <stdio.h>

struct structTest1
{
    char  c1;
    short s;
    char  c2;
    int   i;    
};

int main()
{
    struct structTest1 s1;
    printf("sizeof(s1): %d\n", sizeof(s1));
    printf("c1:%p\ns :%p\nc2:%p\ni :%p\n",\
    (unsigned int)(void*)&s1.c1 - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.s - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.c2 - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.i - (unsigned int)(void*)&s1);
    
    
    return 0;
 } 

 

 程序的输出结果与我们预测的结果不一致，这就是因为内存对齐导致的。

内存对齐就是，按照成员的声明顺序，依次安排内存，其偏移量为最大成员大小的整数倍，最后结构体的大小为最大成员的整数倍。

2、为什么会有内存对齐

因为访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问，然而对齐的内存访问仅需要一次访问。缺省情况下，编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。编译器将未对齐的成员往后移，将每一个成员都对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构体的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员间有部分内存空闲），但提高了性能。

3、如何避免内存对齐的影响

一个小技巧就是将上面的结构体写成下面的形式：

struct structTest1
{
    char  c1;
    short s;
    char  c2;
    int   i;    
};

这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。

#include <stdio.h>

struct structTest1
{
    char  c1;
    char  c2;
    short s;
    int   i;    
};

int main()
{
    struct structTest1 s1;
    printf("sizeof(s1): %d\n", sizeof(s1));
    printf("c1:%p\nc2:%p\ns :%p\ni :%p\n",\
    (unsigned int)(void*)&s1.c1 - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.c2 - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.s - (unsigned int)(void*)&s1,\
    (unsigned int)(void*)&s1.i - (unsigned int)(void*)&s1);
    
    
    return 0;
 }

 

除此之外我们还可以利用#pragma pack（）来改变编译器的默认对齐方式

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。

在#pragma pack (n)和#pragma pack ()之间的代码按 n 个字节对齐。

当n=1时：

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)
struct TestStruct1
{
char a;
long b;
};

struct TestStruct2
{
char c;
struct TestStruct1 d;
long long e;
};
#pragma pack()

int main()
{
    printf("sizef(TestStruct2): %d\n", sizeof(struct TestStruct2));
    
    return 0;
}

 

 当n=2时

#include <stdio.h>

#pragma pack(2)
struct TestStruct1
{
char a;
long b;
};

struct TestStruct2
{
char c;
struct TestStruct1 d;
long long e;
};
#pragma pack()

int main()
{
    printf("sizef(TestStruct2): %d\n", sizeof(struct TestStruct2));
    
    return 0;
}

 

 当n=4时

#include <stdio.h>

#pragma pack(4)
struct TestStruct1
{
char a;
long b;
};

struct TestStruct2
{
char c;
struct TestStruct1 d;
long long e;
};
#pragma pack()

int main()
{
    printf("sizef(TestStruct2): %d\n", sizeof(struct TestStruct2));
    
    return 0;
}

 

 

当n=8时

#include <stdio.h>

#pragma pack(8)
struct TestStruct1
{
char a;
long b;
};

struct TestStruct2
{
char c;
struct TestStruct1 d;
long long e;
};
#pragma pack()

int main()
{
    printf("sizef(TestStruct2): %d\n", sizeof(struct TestStruct2));
    
    return 0;
}