C | 结构体字节对齐

01.字节对齐现象

#include<stdio.h>

struct st1{
    char a;
    short b;
    int c;
};
struct st2{
    char a;
	int c;
    short b;
};

int main(){
	printf("sizeof st1 = %u\n", sizeof(struct st1));
	printf("sizeof st2 = %u\n", sizeof(struct st2));
	return 0;
}

输出：

sizeof st1 = 8
sizeof st2 = 12

st1和st2的成员变量均为一个char变量、一个int变量、一个short变量，区别在于二者的成员变量顺序不同。

但是st1和st2两结构体所占内存大小却不一致，这一奇怪的现象底层就是因为C语言结构体发生了字节对齐。

02.为什么要字节对齐——以空间换时间

内存的最小单元是一个字节，理论上当cpu从内存中读取数据时，应该是逐字节读取。但是实际上cpu将内存当成了多个块，这个块的大小可能是2、4、8、16等。字节对齐是操作系统为了提高内存访问效率的策略。如果没有对齐，就会有可能出现为了访问一个变量却进行了多次内存访问的情形。

2.1 字节对齐原理

1）变量地址规则

#include<stdio.h>

int main(){
	char c1, c2, c3;
	short s1, s2, s3;
	int i1, i2, i3;
	double d1, d2, d3;

	printf("char:\t%lld %lld %lld\n", &c1, &c2, &c3);
	printf("short:\t%lld %lld %lld\n", &s1, &s2, &s3);
	printf("int:\t%lld %lld %lld\n", &i1, &i2, &i3);
	printf("double:\t%lld %lld %lld\n", &d1, &d2, &d3);
	return 0;
}

输出：

char:   1703724 1703720 1703716
short:  1703712 1703708 1703704
int:    1703700 1703696 1703692
double: 1703684 1703676 1703668

发现现象：

同一类型下，其每个变量的地址一定可以被该类型所占内存大小(字节为单位)整除。如（64位操作系统下）：

• char中的1703724 、1703720 、1703716均能被1整除（char占1个字节）；
• short中的1703712 、1703708 、1703704均能被2整除（short占2个字节）；
• int中的1703700 、1703696 、1703692均能被4整除（int占4个字节）；
• double中的1703684 、1703676 、1703668均能被8整除（double占8个字节）。

2）结构体字节对齐

• 结构体中每个成员变量，其变量地址须满足该地址能够被该类型所占内存大小(字节为单位)整除（即地址是该类型长度的整数倍），如不满足，则填充字节直至当前地址满足此条件。

• 结构体的总大小须为其最大成员大小的整数倍，如不满足，最后填充字节以满足。

理解请参考：

03.结构体嵌套结构体进行字节对齐

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

struct sa{
    int a;  //0-3
    char b; //4
    double c;   //8-15
};

struct sb{
    char a; //0
    struct sa b;    //8-23 
    double c;   // 24-31
};

int main(){
    printf("sizeof(struct sa):%u\n", sizeof(struct sa));
    printf("sizeof(struct sb):%u\n", sizeof(struct sb));
    return 0;
}

输出：

sizeof(struct sa):16
sizeof(struct sb):32

注意：

struct sb中的字段b，是以其内部的最大变量类型位基准（即double），而不是以sturct sa结构体的大小位基准。