C语言-结构体对齐详解

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C语言-结构体对齐详解

朱有鹏

1、结构体为何要对齐访问

访问结构体元素时需要对齐访问，主要是为了配合硬件，也就是说硬件本身有物理上的限制，因为对齐排布和访问可以提高访问效率。

如：

struct s

{

char c;

int b;

};

内存本身是一个物理器件（DDR内存芯片，SoC上的DDR控制器），本身有一定的局限性：如果内存每次访问时按照4字节对齐访问，那么效率是最高的；如果你不对齐访问效率要低很多。

还有很多别的因素和原因，导致我们需要对齐访问。譬如Cache的一些缓存特性，还有其它硬件（譬如MMU、LCD显示器）的一些内存依赖特性，所以会要求内存对齐访问。对比对齐访问和不对齐访问，似然对齐访问牺牲了内存空间，换取了速度性能，而非对齐访问则是牺牲了访问速度，换取了内存空间的利用率。

2、结构体对齐的规则和运算

（1）结构体对齐实例分析

编译器本身可以设置内存对齐的规则，有以下的规则需要记住：

第一个：32位编译器，一般编译器默认对齐方式是4字节对齐。

#include

struct mystruct1 { // 1字节对齐 4字节对齐

int a; // 4 4

char b; // 1 2

short c; // 2 2

};

int main(void){

// 4字节对齐时

printf("sizeof (struct mystruct1) = %d.
", sizeof (struct mystruct1));

// sizeof (struct mystruct1) = 8

}

分析：整个结构体变量4字节对齐是由编译器保证的，我们不用操心。第一个元素a的第一个字节的地址就是整个结构体的起始地址，所以自然是4字节对齐的。但是a的结束地址要由下一个元素说了算。然后是第二个元素b，因为上一个元素a本身占4字节，本身就是对齐的。所以留给b的开始地址也是4字节对齐地址的，所以b可以直接放，b放的位置就决定了a一共占4字节，因为不需要填充。b的起始地址定了后，结束地址不能定（因为可能需要填充），结束地址要由一个元素来定。然后是第三个元素c，short类型需要2字节对齐，short类型元素必须放在类似0，2，4，8这样的地址处，不能放在1，3这样的奇数地址处，因此c不能紧挨着b来存放，解决方案是在b之后添加1字节的填充（padding），然后再开始放c。c放完之后还没结束，当整个结构体的所有元素都对齐存放后，还没结束，因为整个结构体大小还要是4的整数倍。

（2）结构体对齐总结

第一：当编译器将结构体设置为4字节对齐时，结构体整体必须从4字节对齐处存放，结构体对齐后的大小必须4的倍数，如果编译器设置为8字节对齐，则这里的4就是8。

第二：结构体中每个元素本身都也必须对齐存放。

第三：编译器在考虑以上两点情况下，实现以最少内存来开辟结构体空间。

3、手动对齐

如果编译器自动实现结构体对齐，我们就称为自动对齐，与之相反，使用#pragma进行对齐的就是手动对齐。

#pragma备用告诉编译器，程序员自己希望的对齐方式。比如，虽然编译器的默认对齐方式是4，但是如果我们不希望按照4对齐，而是希望实现别的对齐方式，譬如希望1字节对齐，也可能希望是8，甚至可能希望128字节对齐，这个时候就必须使用#pragma进行手动对齐了。

常用的设置手动对齐的命令有两种：第一种是#pragma pack()，这种就是设置编译器1字节对齐，不过也可以认为是设置为不对齐或者取消对齐；第二种是#pragma pack(4)，这个括号中的数字表示希望以多少字节进行对齐。

我们需要#prgama pack(n)开头，以#pragma pack()结尾，定义一个区间，这个区间内的对齐参数就是n。

include

#pragma pack(4) // 4字节对齐

struct mystruct1

{

int a;

char b;

short c;

};

struct mystruct2

{

char a;

int b;

short c;

};

typedef struct myStruct5

{

int a;

struct mystruct1 s1;

double b;

int c;

}MyS5;

struct stu

{

char sex;

int length;

char name[10];

};

#pragma pack()

int main(void)

{

printf("sizeof(struct mystruct1) = %d.
", sizeof(struct mystruct1));

printf("sizeof(struct mystruct2) = %d.
", sizeof(struct mystruct2));

printf("sizeof(struct mystruct5) = %d.
", sizeof(MyS5));

printf("sizeof(struct stu) = %d.
", sizeof(struct stu));

return 0;

分析：本例中四个结构体对齐结果：

（1）.struct mystruct1：

1字节对齐 2字节对齐 4字节对齐 8字节对齐

4 4 4 4

1 2(1+1) 2(1+1) 2(1+1)

2 2 2 2

（2）. sizeof(struct mystruct2)：

1字节对齐 2字节对齐 4字节对齐 8字节对齐

1 2(1+1) 4(1+3) 4(1+3) 4 4 4 4

2 2 4(2+2) 4(2+2)

（4）. MyS5(struct myStruct5):

1字节对齐 2字节对齐 4字节对齐 8字节对齐

4 4 4 4

7 8 8 8

8 8 8 8

4 4 4 4

（4）. struct stu：

1字节对齐 2字节对齐 4字节对齐 8字节对齐

1 2(1+1) 4(1+3) 4(1+3)

4 4 4 4

10 10 12(10+2) 12(10+2)

对于#prgma pack的手动对齐来说，在很多C环境下都是支持的，自然gcc也支持，如果不是有哦特殊需求的话，不建议使用。

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邓世金 · 2017-7-12 16:49:04

邓世金 · 2017-7-12 16:49:23

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