C语言结构体的内存对齐问题

在C语言开发当中会遇到这样的情况：

 #include <stdio.h>

 struct test {
     int a;
     char b;
 };

 int main(int argc, const char * argv[])
 {
     printf("%lu\n", sizeof(struct test));
     return ;
 }

sizeof操作输出的结果是8，可是int和char类型的长度加起来只有5，那么为什么输出了8呢？

　　这就牵扯到结构体的内存对齐问题，事实上，结构体中的变量在内存当中并不是以一种连续紧凑的方式存储的。

　　上面这个例子是一种最简单的情况，来看一下它的内存排布：

0x0

0x1

0x2

0x3

0x4

0x5

0x6

0x7

0x8

0x9

0xA

0xB

0xC

0xD

0xE

0xF

0x10

a

b

空位

0x20

　　可见，从0x15到0x18都是空位，为什么要这样存储呢？因为计算机字长为4，处理结构体变量时，需要一次读入32位，也就是4个字节，那么假定两个结构体变量a和b，a从0x10开始，b从0x15开始的话，则需要两次寻址，第一次是读出0x14到0x17，取出后三位，第二次是从0x18到0x1B，取出第一位，然后做位运算，由于变量处理很频繁，这样就增加了性能的开销，那么只能采取用空间换时间的策略了。

　　假设有两个结构体变量，那么内存排布是这样的：

0x0

0x1

0x2

0x3

0x4

0x5

0x6

0x7

0x8

0x9

0xA

0xB

0xC

0xD

0xE

0xF

0x10

a

b

空位

a

b

空位

0x20

　　这便是内存对齐的第一个方面——结构体的末尾如果没有对齐，则会留出空位来，为排在它前后的变量提供寻址上的便利。

　　事实上，结构体的大小，必然是其中占用空间最大的类型的长度的整数倍。

　　接下来改变一下我们的结构体：

 struct test {
     char b;
     int a;
 };

它的长度同样是8，内存排布如下：

0x0

0x1

0x2

0x3

0x4

0x5

0x6

0x7

0x8

0x9

0xA

0xB

0xC

0xD

0xE

0xF

0x10

b

空位

a

0x20

　　同样基于上面提到的原因，如果将a放在0x11的位置，需要两次寻址。那么，结构体内存排列的一个重要原则就是要得到最少的寻址次数，显然，为了方便找到int型的a，需要在b后面空出3个字节的空间来。

　　下面举一个稍微复杂一点的例子：

 struct test {
     char a;
     int b;
     char c;
     char d;
     double e;
     char f;
 };

它的长度是32，看一下内存排列：

0x0

0x1

0x2

0x3

0x4

0x5

0x6

0x7

0x8

0x9

0xA

0xB

0xC

0xD

0xE

0xF

0x10

a

空位

b

c

d

空位

0x20

e

f

空位

　　为了让变量b寻址方便，在a的后面空出了3个字节，而c和d无论如何都要寻址一次，所以顺序排下去就可以了，而e长度为8，按说可以从0x1C开始排，但是这里需要和类型本身的长度8进行对齐，则排在了0x20的位置，于是乎d的后面又空出了6个字节的空间，最后f排在e的后面，之后为了结构体本身和最长类型的长度8对齐，后面又留出了7个字节的空位。

　　显而易见结构体当中变量的顺序是会影响存储空间的，在设计结构体的时候需要进行优化，比如将上面的结构体改写成下面的形式可以节省空间：

 struct test {
     char a;
     char c;
     char d;
     char f;
     int b;
     double e;
 };

这种排列只占用16字节，内存如下：

0x0

0x1

0x2

0x3

0x4

0x5

0x6

0x7

0x8

0x9

0xA

0xB

0xC

0xD

0xE

0xF

0x10

a

c

d

f

b

e

0x20

　　可见，内存对齐是一种空间换时间的手段，当然，为了节约内存，可以通过如下代码令结构体紧凑排列：

 #pragma pack(1)