【C语言进阶深度学习记录】二十结构体大小计算与结构体内存布局的详细方法

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-03-17 10:41 101阅读 0赞

>  *  结构体大小的计算往往是面试笔试常考的知识。对于简单的结构体，可以一眼看出来，对于复杂的结构体，该如何计算结构体占用内存的大小呢?
>  *  本文学习所使用的编译器是gcc 4.4.5 使用其他编译器或者使用Windows 上的编译器有可能不太一样。

> ### 文章目录 ###
> 
>  *   *  1 什么是内存对齐？
>      *  2 struct占用的内存大小如何计算
>      *   *  2.1 struct结构体大小计算案例分析-结构体中没有结构体
>          *  2.2 struct结构体大小计算案例分析-结构体中有一个结构体成员
>      *  3 总结

## 1 什么是内存对齐？ ##

> 先来加单的说一下为什么需要内存对齐：
> 
> 1.  CPU对内存的读取不是连续的，而是分成块读取的，块的大小只能是1,2,4,8,16…字节
> 2.  当读取的数据未对齐，则需要两次总线周期来访问内存才能将整个数据读完，这样会降低CPU性能
> 3.  某些硬件平台只能从规定的相对地址处读取特定类型的数据，否则产生**硬件异常**

什么是内存对齐？

*  不同类型的数据在内存中按照一定的规则排列
 *  但是不一定是顺序的一个接一个的排列

例如下图中的两个结构体的大小是不一样的，因为它们的内存布局是不一样的：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3Mzc1NDI3_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

它们的内存布局如下图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3Mzc1NDI3_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

> 拓展： \#pragma pack 用于指定内存的对齐方式。用于修改编译器的默认对齐方式  
> 一般来讲，在Linux系统中，编译器的默认对我方式是4字节对齐。下图中的代码，可以将对齐方式修改为1字节对齐：  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3Mzc1NDI3_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

## 2 struct占用的内存大小如何计算 ##

对于不同的内存对齐方式，上面的结构体在内存中的布局是不一样的，那么我们如何来计算不同的对齐方式在内存中的布局是什么样的呢？

需要根据以下三点：

1.  第一个struct成员永远起始于 0偏移处
2.  每个成员按其**类型大小和pack参数中较小的一个** 进行对齐
    
    2.1 偏移地址必须能被对齐参数整除  
    2.2 如果一个结构体中有一个变量也是结构体，那么这个内部的结构体成员的**对齐大小**就按照其内部最大的数据成员作为其大小来计算。（这里有点绕，看最后的一个例子就会明白）
3.  结构体总长度，必须为所有对齐参数的整数倍

*  只需要按照上述三点计算方法，就可以计算出所有结构体的大小以及内存布局的样式

### 2.1 struct结构体大小计算案例分析-结构体中没有结构体 ###

如下面的代码：

*  24-3.c

#include <stdio.h>
    
    #pragma pack(2)
    struct Test1
    {
        
        char  c1;
        short s;
        char  c2;
        int   i; 
    };
    #pragma pack()
    
    #pragma pack(4)
    struct Test2
    {
        
        char  c1;
        char  c2;
        short s;
        int   i;
    };
    #pragma pack()
    
    int main()
    {
        
        printf("sizeof(Test1) = %d\n", sizeof(struct Test1));
        printf("sizeof(Test2) = %d\n", sizeof(struct Test2));
    
        return 0;
    }

*  编译运行结果为：

sizeof(Test1) = 10  
sizeof(Test2) = 8

*  结果分析1–Test1：

对于结构体Test1，2字节对齐，按照上述三个计算条件有：

struct Test1
    {
                      //对齐方式             大小         起始地址                占用的内存地址位置      
        char  c1;       2          大于     1            0                            0            
        short  s;       2          等于     2            2(被对齐参数2整除)            2~3           
        char  c2;       2          大于     1(对齐参数)   4                            4            
        int   i;        2(对齐参数) 小于     4            6(被对齐参数2整除)            6~9
    };

1.  Test1的对齐方式是2字节。

然后根据：

1.  每个成员按其**类型大小和pack参数中较小的一个** 进行对齐。比如上面的起始地址计算那里，都是被对齐参数2整除，这个2是**类型大小和pack参数中较小的一个**
    
    2.1 偏移地址必须能被对齐参数整除

这一条规则计算每个成员的起始地址。如上面的计算。

1.  最后再看总体大小是否是对齐参数的整数倍。上面Test1 大小是10，是对齐参数2的整数倍

*  结果分析2–Test2

对于结构体Test2，4字节对齐，按照上述三个计算条件有：

struct Test2
    {
                      //对齐方式         大小           起始地址                   占用的内存地址位置      
        char  c1;       4      大于    1(对齐参数)       0                             0            
        char  c2;       4      大于    1(对齐参数)       1(被对齐参数1整除)             1           
        short s;        4      大于    2(对齐参数)       2(被对齐参数2整除)             2~3          
        int   i;        4      等于    4(对齐参数)       4(被对齐参数4整除)             5~7
    };

1.  Test2 的对齐方式是4字节对齐

然后再根据：

1.  每个成员按其**类型大小和pack参数中较小的一个** 进行对齐。比如上面的起始地址计算那里，对齐参数分别为1,1,2,4
    
    2.1 偏移地址必须能被对齐参数整除

这一条规则计算每个成员的起始地址。如上面的计算。

1.  最后再看总体大小是否是对齐参数的整数倍。上面Test2 大小是8，是对齐参数4的整数倍

> 经过上面的两个结构体大小的计算，可以很容易的画出其内存图

### 2.2 struct结构体大小计算案例分析-结构体中有一个结构体成员 ###

再看一个复杂的结构体大小的计算

*  代码 24-4.c

#include <stdio.h>
    
    struct S1
    {
        
        short a;
        long b;
    };
    
    struct S2
    {
        
        char c;
        struct S1 d;
        double e;
    };
    
    
    int main()
    {
        
        printf("sizeof(struct S1) = %d\n", sizeof(struct S1));
        printf("sizeof(struct S2) = %d\n", sizeof(struct S2));
        
        return 0;
    }

运行结果为：

sizeof(struct S1) = 8  
sizeof(struct S2) = 20

S1很好分析。下面我们分析S2

struct S2         //对齐方式          大小                     起始地址    占用的内存地址位置
    {
        
        char c;           4      大于     1(对齐参数)                0                0 
        struct S1 d;      4      等于     4(这个是S1中最大参数大小)   4(被4整除)       4~11（S1实际大小为8） 
        double e;         4(对齐)小于     8                         12(被4整除)      12~19 
          };

> 注意： 上面S2中的S1实际大小是8，那个4是作为与对齐方式比较时（选取较小的作为对齐参数）选取S1中最大的数据成员大小。

1.  S2 的对齐方式是4字节对齐

然后再根据：

1.  每个成员按其**类型大小和pack参数中较小的一个** 进行对齐。比如上面的起始地址计算那里，对齐参数分别为0,4,12
    
    2.1 偏移地址必须能被对齐参数整除  
    2.2 如果一个结构体中有一个变量也是结构体，那么这个内部的结构体成员的**对齐大小**就按照其内部最大的数据成员作为其大小来计算

这一条规则计算每个成员的起始地址。如上面的计算。

1.  最后再看总体大小是否是对齐参数的整数倍。上面S2 大小是20，是对齐参数4的整数倍

> 我所使用的编译器gcc 4.4.5 不支持8字节对齐方式

## 3 总结 ##

注意好好理解上述计算结构体大小的计算方法。然后自己画画内存图。

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