结构体 · 内存对齐

news/2024/11/9 1:57:20/

欢迎来到 Claffic 的博客 💞💞💞

前言:

在初识C语言中简单介绍了结构体,结构体可以理解为不同类型数据的集合体,但是你想过结构体的大小是如何计算的吗?看完这篇博客,你就能给自己答案了。

注:此博客包含进阶知识,建议学完C语言初阶知识再进行学习哦 ~  


1.请看题

#include<stdio.h>
struct Test
{int i;char c;double d;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct Test));return 0;
}

问:程序输出多少? 

提示:编译环境VS2022,默认对齐数为8字节(什么意思? 留个悬念)

题目的意思就是要求我们计算 Test 这个结构体的大小

我们初步猜测:4(int 的大小)+ 1(char 的大小)+ 8(double 的大小)== 13 ;

是不是呢?

是    就没有这篇博客啦

接下来让我们看看结构体的对齐是怎么规定的:

2.结构体的对齐规则

1. 第一个成员 在与结构体变量 偏移量为0 的地址处;
2. 其他成员变量 要对齐到 对齐数 的 整数倍 的地址处;
    对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的 较小值
3. 结构体 总大小 最大对齐数(每个成员变量都有一个对齐数)的 整数倍
4. 如果 嵌套 了结构体的情况,嵌套的结构体对齐到自己的 最大对齐数的整数倍 处,结构体的整体大小就是所有最大对齐数(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。

规则读起来吃力,更不要说理解了

没关系,跟我捋一遍解题的步骤

跟我做完后再回来看上面的对齐规则,相信你会恍然大悟哒!

2.1画图准备

可以像我这样拷一份代码列一个表格补上默认对齐数

我用的是 windows11 自带的默认画图软件。

2.2对齐

按照数据上往下的顺序(i --> c -->  d)开始对齐,

先是第一个 int 类型的 i ,没啥顾虑的,直接从 偏移量 为 0的地方开始填充 ,填充 4 个字节(一个 int 类型大小)

 

这里对应 1. 第一个成员 在与结构体变量 偏移量为0 的地址处;

接下来是 char 类型的 c ,这里要多考虑了:

首先是 c 的大小 与 默认对齐数 (揭开悬念)的比较,取两者中的较小值1 ,作为改成员的对齐数;

接着是对齐,我们看到下一个空间的偏移量是 4 ,是 1 的整数倍 没错,可以放心填充。

这一步对应 2. 其他成员变量 要对齐到 对齐数 的 整数倍 的地址处;
                       对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的 较小值

然后是 double 类型的 d ,同上:

8 与 8 比较,就取 8,作为该成员的对齐数

看下一个空间的偏移量是 5 ,不是 8 的整数倍,接着向下找,直到 8 ,开始填充:

最后就是结构体的总大小了:

很清楚,三个成员的最大对齐数是 8 ,那么总大小是 8 的整数倍

目前填充到了 15 ,无奈,15 不是 8 的整数倍,只能继续向下找 ,嗯 ,那个值是 16。

这里对应 3. 结构体 总大小 最大对齐数(每个成员变量都有一个对齐数)的 整数倍

所以这道题的正确答案是 16 

3.结构体嵌套

就着刚才解的题,再看下面这道:

#include<stdio.h>
struct Test
{int i;char c;double d;
};struct Old
{int a;struct Test test;char b;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct Old));return 0;
}

其实就是刚才的结构体 Test 被嵌套

这里就只提及结构体部分,其余的解法同上题

结构体 Test 中,最大的对齐数是 8,所以从 8 的整数倍开始填充,它的大小就是 16,填充 16 个字节。 

答案是 32 ,大家可以自行解决。

读到这里,建议再回首去看 4 条结构体的对齐规则,相信你会有明白的感觉 ~

4.内存对齐的原因:

不难发现,按照内存对齐,的却有内存被浪费了,但为什么还要按照这种规则呢?

根据参考资料,原因有两个方面。

1. 平台原因(移植原因):
    不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;

    某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。
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;
    原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需      要一次访问。

简单解释,一次内存访问是有固定大小的,大小 4 或 8,以一次访问 4 字节为例:

没有内存对齐:

就单看 int 类型的数据

访问两次才能拼凑出一个 int;

有内存对齐:

访问一次就可把 int 读取,且每次访问不交叉,干净利索

总的来说,这是一种 拿空间换时间 的做法,目前还是最优解。 

这样说能解答一些疑惑吧,但并不是标准的说法,不可钻牛角尖哦 ~


总结:

此博客详细讲解了结构体的内存对齐规则,内容比较干,建议多咀嚼,消化理解

如果你觉得这篇文章还不错并且对你有帮助,不妨支持一波哦  💗💗💗

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