C/C++结构体的内存对齐详解（深入探究结构体在内存里的保存形式）

深入探究：结构体在内存里的保存形式

引言

在C和C++等编程语言中，结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，它允许我们将不同类型的数据组合在一起，形成一个逻辑上的整体。理解结构体在内存中的保存形式对于优化内存使用、提高程序性能以及进行底层编程至关重要。本文将详细探讨结构体在内存中的存储方式，包括成员对齐、内存布局以及如何计算结构体的大小等内容。

结构体基础回顾

在深入了解结构体的内存保存形式之前，我们先简单回顾一下结构体的定义和使用。以下是一个简单的结构体定义示例：

#include <stdio.h>// 定义一个结构体
struct Person {char name[20];int age;float height;
};int main() {// 声明并初始化一个结构体变量struct Person person1 = {"Alice", 25, 1.65};printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", person1.name, person1.age, person1.height);return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个名为Person的结构体，它包含三个成员：一个字符数组name用于存储姓名，一个整数age用于存储年龄，以及一个浮点数height用于存储身高。

结构体成员的内存对齐

什么是内存对齐

内存对齐是指编译器为了提高内存访问效率，会将结构体成员按照一定的规则放置在内存中。具体来说，每个成员的起始地址必须是该成员类型大小的整数倍。例如，一个int类型的成员，其起始地址必须是4字节（在32位系统上）或8字节（在64位系统上）的整数倍。

为什么需要内存对齐

内存对齐主要是为了提高内存访问的效率。现代计算机的内存访问通常是以字（word）为单位进行的，如果数据的起始地址不是字的整数倍，那么处理器可能需要进行多次内存访问才能读取完整的数据，这会降低程序的性能。通过内存对齐，处理器可以在一次内存访问中读取完整的数据，从而提高访问效率。

示例分析

让我们通过一个具体的示例来看看内存对齐是如何影响结构体的内存布局的：

#include <stdio.h>// 定义一个结构体
struct Example {char c;     // 1字节int i;      // 4字节short s;    // 2字节
};int main() {// 输出结构体的大小printf("Size of struct Example: %zu bytes\n", sizeof(struct Example));return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个名为Example的结构体，它包含一个char类型的成员c、一个int类型的成员i和一个short类型的成员s。按照成员的实际大小相加，这个结构体的大小应该是1 + 4 + 2 = 7字节。但是，当我们运行这个程序时，会发现输出的结构体大小可能是8字节或12字节，这就是内存对齐的结果。

内存布局分析

假设我们在32位系统上运行上述示例，其内存布局可能如下：

偏移量（字节）	成员	说明
0	c	`char`类型，占用1字节
1 - 3	填充字节	为了使`int`类型的成员`i`的起始地址是4的整数倍，编译器插入3个填充字节
4 - 7	i	`int`类型，占用4字节
8 - 9	s	`short`类型，占用2字节
10 - 11	填充字节	为了使结构体的总大小是最大成员类型（`int`，4字节）的整数倍，编译器插入2个填充字节

因此，这个结构体的总大小是12字节，而不是7字节。

结构体大小的计算方法

计算规则

要计算结构体的大小，我们需要遵循以下规则：

每个成员的起始地址必须是该成员类型大小的整数倍。
结构体的总大小必须是最大成员类型大小的整数倍。

示例代码

#include <stdio.h>// 定义一个结构体
struct Data {char a;     // 1字节double b;   // 8字节int c;      // 4字节
};int main() {// 输出结构体的大小printf("Size of struct Data: %zu bytes\n", sizeof(struct Data));return 0;
}

计算过程分析

char a：占用1字节，起始地址为0。
double b：double类型大小为8字节，为了使b的起始地址是8的整数倍，编译器在a后面插入7个填充字节，b从地址8开始，占用8字节。
int c：int类型大小为4字节，c从地址16开始，占用4字节。
结构体总大小：目前已经占用了1 + 7 + 8 + 4 = 20字节，但由于结构体的总大小必须是最大成员类型（double，8字节）的整数倍，所以编译器在c后面插入4个填充字节，使结构体的总大小变为24字节。

结构体对齐方式的调整

`#pragma pack`指令

在某些情况下，我们可能希望取消或调整结构体的内存对齐方式，以节省内存空间。可以使用#pragma pack指令来实现这一点。#pragma pack指令用于指定结构体成员的对齐方式，其语法如下：

#pragma pack(n)
// 结构体定义
#pragma pack()

其中，n是对齐字节数，可以是1、2、4、8等。例如，#pragma pack(1)表示按1字节对齐，即不进行内存对齐。

示例代码

#include <stdio.h>#pragma pack(1)
// 定义一个结构体
struct PackedExample {char c;     // 1字节int i;      // 4字节short s;    // 2字节
};
#pragma pack()int main() {// 输出结构体的大小printf("Size of struct PackedExample: %zu bytes\n", sizeof(struct PackedExample));return 0;
}

在这个示例中，我们使用#pragma pack(1)指令将结构体的对齐方式设置为按1字节对齐，这样结构体的总大小就等于成员实际大小之和，即1 + 4 + 2 = 7字节。

结构体嵌套的内存布局

嵌套结构体的定义

结构体可以嵌套，即一个结构体的成员可以是另一个结构体。以下是一个嵌套结构体的示例：

#include <stdio.h>// 定义一个内部结构体
struct Inner {char a;     // 1字节int b;      // 4字节
};// 定义一个外部结构体，包含内部结构体
struct Outer {struct Inner inner;short c;    // 2字节
};int main() {// 输出结构体的大小printf("Size of struct Outer: %zu bytes\n", sizeof(struct Outer));return 0;
}

嵌套结构体的内存布局分析

对于嵌套结构体，内部结构体的成员仍然需要遵循内存对齐规则，并且外部结构体的总大小仍然需要是最大成员类型大小的整数倍。在上述示例中，struct Inner的大小可能是8字节（考虑内存对齐），struct Outer的总大小可能是10字节（加上short c的2字节），但由于需要是最大成员类型（int，4字节）的整数倍，所以最终struct Outer的大小可能是12字节。

总结

结构体在内存中的保存形式受到内存对齐的影响，理解内存对齐的规则和原理对于优化内存使用和提高程序性能至关重要。通过合理设计结构体成员的顺序和使用#pragma pack指令，我们可以在内存效率和访问效率之间找到一个平衡点。同时，对于嵌套结构体，我们需要考虑内部结构体的内存布局以及外部结构体的整体对齐要求。希望本文能够帮助你更好地理解结构体在内存中的保存形式。