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前言

一、结构体内存对齐规则

二、 offsetof 宏

三、结构体内存对齐的原因

四、 修改默认对齐数

前言

引入问题：

#include struct S
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S));return 0;
}

程序运行后的结果是：12，这表明 sizeof(struct S) 并不是简单地等于 sizeof(char) + sizeof(int) + sizeof(char)。

那么如何准确地计算出一个结构体的大小呢？

一、结构体内存对齐规则

要准确地计算出结构体的大小，就需要掌握结构体内存对齐的规则：

结构体成员是按照定义顺序一个一个地放到内存中的，但并不一定是紧密排列的。

1. 第一个成员的首地址在与结构体变量偏移量为 0 的地址处。

2. 其他成员的首地址在对齐数的整数倍的地址处。

3. 结构体的总大小为最大对齐数（每个成员都有一个对齐数）的整数倍。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员的首地址在自己的最大对齐数的整数倍的地址处，结构体的大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体成员的对齐数）的整数倍。

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。

不是所有的编译器都有默认对齐数，VS 中的默认对齐数为 8，Linux GCC 则没有默认对齐数，当编译器没默认对齐数时，成员变量的大小就是该成员的对齐数。

例如：

#include struct S1
{double d;char c;int i;
};struct S2
{char c1;struct S1 s1;double d;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));printf("%zd\n", sizeof(struct S2));return 0;
}

分析： 

 所以 sizeof(struct S1) == 16。

 所以 sizeof(struct S2) == 32。

二、 offsetof 宏

可以使用 offsetof 宏计算一个结构体成员的偏移量。

例如：

#include 
#include 
struct S
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%zd\n", offsetof(struct S, c1));  // 0printf("%zd\n", offsetof(struct S, i));  // 4printf("%zd\n", offsetof(struct S, c2));  // 8return 0;
}

模拟实现：

#define OFFSETOF(sType, member) (size_t)&(((sType*)0)->member)

1. 首先将 0 强制类型转换成结构体指针，然后就可以使用 -> 操作符访问其中的成员。

2. 对指向的成员取地址 &，该地址就是偏移量，因为偏移量 = 成员地址 - 起始地址(0) = 成员地址。

3. 将结果强制类型转换成 size_t。

三、结构体内存对齐的原因

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；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

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，为了访问未对齐地内存，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。

   假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放。现在一个 int 类型的变量存放在地址 1 开始的连续四个字节中，处理器去取数据时，要先从 0 地址开始读取第一个 4 字节块，剔除不想要的字节（0 地址），然后从地址 4 开始读取下一个 4 字节块，同样剔除不想要的字节（5、6、7 地址），最后留下的两个数据合并放入寄存器，这需要做很多工作。

   现在有了内存对齐，int 类型的数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说 0 地址开始的内存，那么现在处理器在取数据时一次性就能将数据读出来，而不需要做额外的操作，提高了效率。

四、 修改默认对齐数

使用 #pragma 预处理指令修改默认对齐数。

例如：

#include #pragma pack(2)  // 设置默认对齐数为 2
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()  // 取消设置的默认对齐数，还原为默认int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S));  // 8return 0;
}

没有修改默认对齐数时，sizeof(struct S) 等于 12；而将默认对齐数修改为 2 后，sizeof(struct S) 就变成了 8。