结构体内存对齐-编程知识

为什么有内存对齐

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，否则会抱出硬件异常。
因为：（基于这个原因，就要把某些数据对齐到能够取得、访问、修改、的地址处，这样才能去获得对应数据）

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。
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。

什么意思？

以结构体S为例

struct S
{char c;int i;
};

如果没有对齐，char c;存放了之后，int i; 直接存放在char c后面，可能有时候对齐时刚好会出现这种情况，但不是每一次都这样。我们直到计算机有32位、64位，也就是每次读取的数据4个字节、8个字节。以4个字节为例，如果没有对齐，读取 c 时会将 i 的也读取一部分出来，导致出错。如果读取 i ，因为没有对齐，数据从0号开始读，i数据没读完，还要再读一次，浪费时间。在对齐的内存空间上就不会出现这种情况。读取 i 时可以从4号位开始读，这样就可以一次性读取完 i 的数据，不用担心数据读取不完全或者错误。

但是总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：
让占用空间小的成员尽量集中在一起。

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某个数字（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。(VS中默认的值为8)
3. 结构体总大小为最大对齐数（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。

gcc,Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小，默认对齐数可以修改 #pragma pack()

括号填入4、8即可，填入1就认为没有对齐数。

规则解释

假设现在有结构体S1，现在要求该结构体的内存大小

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};printf("%d\n",seziof(struct S1));//结果是12

规则1解释：

很容易理解，就是不管什么类型，只要是结构体的第一个成员就要从0号偏移地址开始往下存储。

所以char c1;从0偏移处开始存放，自己是多大的字节就占多少个内存地址

规则2解释：

我使用的是VS编译器，对默认齐数是8（gcc,linux系统没有对齐数，其实也无所谓，反正对齐数就是该类型的字节大小）。这里我们的第二个成员是 int 型的，占4个字节大小，如果考虑默认的对齐数则：int i;的字节大小是4，VS默认是8，这两者的较小值就是4，所以4就是对齐数。

则 i 存放在偏移量是4的倍数的地址上，比如4，8，12...

所以 i 从4号地址开始往下存放，i 是int型，所以从4到7都是i占据的内存

规则3解释：

在c1，i，c2中，对齐数分别是1，4，1
则在这个结构体里面最大的对齐数就是4
在存放过程中，c1，i，c2已经存放完毕，占用0-8一共9个字节地址
但是9不是最大对齐数4的倍数，所以还要往下浪费一些空间直到该地址偏移量是4的倍数
所以再往下浪费三个地址到11号地址处（这里的号数只是为了方便理解取的）
在做题过程中要记住的是偏移地址的个数，而不是自己设定的号数

验证方法

为了验证结论，可以使用offsetof函数打印存放的号数是不是和我们的一样。
这个函数的头文件是 #include <stddef.h>

函数原型：

size_t offsetof( structName, memberName );

第一个参数是结构体的名字，第二个参数是结构体成员的名字。该宏返回结构体structName中成员memberName的偏移量。偏移量是size_t类型的。

printf("%d\n",offsetof(struct S1,c1));
printf("%d\n",offsetof(struct S1,i));
printf("%d\n",offsetof(struct S1,c2));

规则4解释：

计算S4的内存大小

struct S3
{double d;char c;int i;
};struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};

先计算S3的内存大小是16；

在S4里的S3的最大对齐数是8（double d;），所以S3存放的对齐数要是8的整数倍；从8号位开始存放结构体S3，一共占据16个字节大小。第三个成员double d;的字节大小是8，对齐数也是8，下面是8的倍数的近距离刚好是24，所以从24号开始存放到31号刚刚好8个字节。

此时占了32字节，在这两个结构体中，所有对齐数里面最大的就是8，32是8的倍数，所以不需要往下浪费地址

切记

对齐数的倍数从0号地址开始，用偏移号数来找对齐的倍数。

什么意思：比如结构体的第一个char a;肯定从0号位开始存，而且char只占用一个字节地址；

第二个是double b;本身字节大小是8，对齐数也是8，存放时就要是8的倍数，此时应该从0号开始数8个地址，0-7刚好是8个位，8-15地址号存放double b。

如图：