關(guān)于C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

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今天給大家?guī)?lái)一道經(jīng)典、易錯(cuò)的關(guān)于C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊的題目：

求32bit環(huán)境下以下結(jié)構(gòu)體所占的字節(jié)數(shù)：
typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

請(qǐng)說(shuō)出你的答案：

?

下面看一下實(shí)際測(cè)試情況：

1、測(cè)試代碼：

/***********************************
?*?公眾號(hào)：嵌入式大雜燴
***********************************/
#include?

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

int?main(void)
{
?test_struct?test_s;??

?printf("
============================================
");
?printf("test_s?addr???=?%#.8x
",?&test_s);
?printf("test_s.a?addr?=?%#.8x
",?&test_s.a);
?printf("test_s.b?addr?=?%#.8x
",?&test_s.b);
?printf("test_s.c?addr?=?%#.8x
",?&test_s.c);
?printf("test_s.d?addr?=?%#.8x
",?&test_s.d);
?printf("test_s.e?addr?=?%#.8x
",?&test_s.e);
?printf("sizeof(test_s)?=?%d
",?sizeof(test_s));
?printf("============================================
");

?return?0;
}

2、運(yùn)行結(jié)果

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在32bit環(huán)境中，該結(jié)構(gòu)體所占的字節(jié)數(shù)為16。答對(duì)了嗎？

運(yùn)行結(jié)果打印輸出了很多重要的信息，從結(jié)果往前分析思路應(yīng)該很清晰了吧？

下面我們一起來(lái)分析分析：

3、分析

在分析這個(gè)問題之前，我們先記住關(guān)于結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊的三條原則：

（1）結(jié)構(gòu)體變量的起始地址能夠被其最寬的成員大小整除。

（2）結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對(duì)于起始地址的偏移能夠被其自身大小整除，如果不能則在前一個(gè)成員后面補(bǔ)充字節(jié)。

（3）結(jié)構(gòu)體總體大小能夠被最寬的成員的大小整除，如不能則在后面補(bǔ)充字節(jié)。

分析這個(gè)問題我們就不考慮編譯器可以指定對(duì)齊大小的情況了。在32bit環(huán)境中，一般默認(rèn)的對(duì)齊大小是4。

下面我們根據(jù)這三條原則來(lái)分析，并得出如下示意圖：

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從這張圖中我們應(yīng)該可以很清晰地看出整個(gè)結(jié)構(gòu)體變量的內(nèi)存占用情況。

如果還看不明白的朋友可閱讀下面的解釋（有點(diǎn)啰嗦，已經(jīng)看明白的就不用看了~）：

從上例的結(jié)果中，我們結(jié)構(gòu)體變量test_s的起始地址為0x0028ff30，能夠被其最寬的成員（int類型的d成員，占4個(gè)字節(jié)）整除，符合第（1）條原則。

a成員的地址即為結(jié)構(gòu)體變量的起始地址0x0028ff30，排在a后面的是short類型（兩個(gè)字節(jié)）的b成員。

根據(jù)第（2）條規(guī)則，顯然b的地址不能從0x0028ff31開始，則編譯器會(huì)在b成員的前一個(gè)成員（a成員）后邊補(bǔ)1個(gè)空白字節(jié)，即b的的地址為從0x0028ff32，符合規(guī)則（2）。

b成員占兩個(gè)字節(jié)，兩個(gè)字節(jié)之后的地址為0x0028ff34，而c成員為char類型（1字節(jié)），則根據(jù)規(guī)則（2），c成員會(huì)存放至地址0x0028ff34處。

c成員占1個(gè)字節(jié)，1個(gè)字節(jié)之后的地址為0x0028ff35，排在c后面的是int類型（4個(gè)字節(jié)）的d成員，顯然不能滿足規(guī)則（2）。

編譯器會(huì)在d成員的前一個(gè)成員（c成員）后面進(jìn)行字節(jié)填充，這里必須填充3個(gè)字節(jié)才能符合規(guī)則（2），此時(shí)d會(huì)存放至地址0x0028ff38處。

d成員占4個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)之后的地址為0x0028ff3c。根據(jù)規(guī)則（2），e成員可從該地址開始存放。

此時(shí)a+空白字節(jié)+b+c+空白字節(jié)+d+e所占的字節(jié)總數(shù)為13個(gè)字節(jié)，而結(jié)構(gòu)體最寬的成員（int類型的d成員）所占字節(jié)數(shù)為4字節(jié)。

顯然不能滿足規(guī)則（3），編譯器會(huì)在e成員后面填充3個(gè)字節(jié)。即整個(gè)結(jié)構(gòu)體變量test_s所占的總字節(jié)數(shù)為16字節(jié)。

4、實(shí)際應(yīng)用

（1）用保留變量替代填充字節(jié)

實(shí)際應(yīng)用中我們可以上面的結(jié)構(gòu)體變量改為：

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?char?reserve0;????/*?保留成員?*/
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
?char?reserve1[3];?/*?保留成員?*/
}test_struct;

我們已經(jīng)知道了編譯器會(huì)自動(dòng)給我們的結(jié)構(gòu)體變量填充一些空白字節(jié)，這些填充字節(jié)我們是看不到的，是隱性的。

在結(jié)構(gòu)體變量占用相同內(nèi)存的情況下，我們可以顯性的表示出這些填充字節(jié)，即創(chuàng)建一些保留成員。

這樣當(dāng)我們需要給這個(gè)結(jié)構(gòu)體添加一些成員時(shí)，我們可以把保留的成員替換為實(shí)際的成員。這樣在一定程度下有利于我們節(jié)省內(nèi)存空間。

（2）調(diào)整結(jié)構(gòu)體成員的位置

從上面的分析中我們知道編譯器會(huì)根據(jù)我們結(jié)構(gòu)體成員的排列來(lái)進(jìn)行空白字節(jié)填充以達(dá)到對(duì)齊的效果。

那么我們自己進(jìn)行手動(dòng)對(duì)齊一些成員，那就可以節(jié)省一些空間了。比如把上面的我們的test_struct結(jié)構(gòu)體成員的順序改為：

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?char?c;?
?short?b;?????????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

則結(jié)構(gòu)體變量test_s所占的字節(jié)數(shù)變?yōu)?2字節(jié)，即：

?

即比原來(lái)的16字節(jié)省下了4個(gè)字節(jié)。

雖然這點(diǎn)優(yōu)化對(duì)于一般的嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能沒什么必要，但是萬(wàn)一某一天真的需要在某些資源極其受限的嵌入式設(shè)備中開發(fā)應(yīng)用，這就是可以優(yōu)化的一點(diǎn)。

最后

以上就是本次的實(shí)驗(yàn)分享。如有錯(cuò)誤，歡迎指出！謝謝

這道結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊的題目很經(jīng)典、也很容易出錯(cuò)，是嵌入式C語(yǔ)言筆試、面試題中的高頻題目，很有必要弄清楚。
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