大家好，我是嵌入式老林，從事嵌入式軟件開發多年，今天分享的內容是C語言結構體對齊介紹，希望能對你有所幫助

摘要：最近有粉絲說在筆試的時候，經常遇到求結構體字節數的問題，做完后不知道自己寫對了沒。這篇文章就來介紹一下結構體對齊的計算方法。不知道你們筆試的時候有沒有遇到這種題目呢？

一、字節對齊的基本概念

1.1 什么是字節對齊

在C語言中，結構是一種復合數據類型，其構成元素既可以是基本數據類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復合數據類型（如數組、結構、聯合等）的數據單元。在結構中，編譯器為結構的每個成員按其自然邊界（alignment）分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

為了使CPU能夠對變量進行快速的訪問,變量的起始地址應該具有某些特性，即所謂的”對齊”。比如4字節的int型，其起始地址應該位于4字節的邊界上，即起始地址能夠被4整除。

1.2 為什么需要字節對齊

當我們在C語言中定義結構體時，編譯器會對結構體的成員進行內存對齊，以提高訪問效率和節約內存。如果沒有對齊的話，CPU在取數的時候，會花更多的指令周期。

一個32位系統，假設有個整型變量的地址不是自然對齊，比如為0x00000002，則CPU取它的值需要訪問兩次內存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個short，然后組合得到所要的數據；如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問三次內存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然后組合得到整型數據。而如果變量在自然對齊位置上，則只要訪問一次就可以取出數據

1.3 結構體對齊的規則

1,結構體的第一個成員永遠放在結構體起始位置偏移為0的地址

2,結構體從第二個成員，總是放在一個對齊數的整數倍數

對齊數 = 編譯器默認的對齊數和變量自身大小的較小值

3,結構體總大小為最大對齊數（每個成員變量都有一個對齊數）的整數倍。

4,如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體的對齊數）的整數倍。

二、結構體對齊的計算

2.1 例子一

先來看一下這個結構體占了幾個字節，說明一下，下面的例子都是在32bit系統上運行的

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >




int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    int i;
    char c2;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, i:%d, c2:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c2));
  printf("addr c1:%x, i:%x, c2:%x
", &st.c1, &st.i, &st.c2);




  return 0;
 }

運行結果，這個結構體占12個字節

先來介紹一下offsetof(）這個宏，如果想知道結構體的某個成員相對于結構體的首地址的偏移量，可通過這個宏獲取，這個宏在頭文件stddef.h中。我們看到結構體中的成員c1，i，c2分別相對于結構體的首地址偏移0，4，8

解釋：c1按1字節對齊，但i為int類型，按4字節對齊，所以不能緊跟其后，i的地址要為4的整數倍，所以在c1后空出了3字節開始存放，c2為1字節對齊，緊跟在i后面即可，這樣算的話，總字節數為9，但結構體的總大小要為最大對齊數的整數倍，這個結構體的最大對齊數就是4，所以得在c2的后面再補3個字節，所以這個結構體就占用了12字節。

假設下圖左邊那一列是變量存放的地址，右邊是存放的變量

如果將上面例子的結構體成員換一下位置，結果又是怎樣的呢？

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    char c2;
    int i;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, c2:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x, c2:%x, i:%x
", &st.c1, &st.c2, &st.i);

  return 0;
 }

運行結果：

解釋：c1和c2分別按1字節對齊，所以c2緊跟c1后面，i按4字節對齊，所以空2個字節，再存放i。那么整個結構體大小為8字節，也滿足是最大對齊數的整數倍。

實際上，這兩個例子不管是32bit還是64bit的系統，結果都是一樣的，因為char類型和int類型在32bit和64bit系統中，占用的空間是一樣的。當然了，最好是在使用前先用sizeof測一下每種類型在當前環境中占用的大小。

因此，在實際項目開發中，如果定義的結構體有很多成員，盡可能地把同類型的成員放在一起，這樣可以節省一些空間。

2.2 例子二

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    char c1;
    short s1;
    char c2;
    int i;
    char c3;
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, s1:%d, c2:%d, i:%d, c3:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, c2), offsetof(MyStruct, i), offsetof(MyStruct, c3));
  printf("addr c1:%x, s1:%x, c2:%x, i:%x, c3:%x
", &st.c1, &st.s1, &st.c2, &st.i, &st.c3);

  return 0;
 }

運行結果：

解釋：c1為1字節對齊，s1為2字節對齊，地址要為2的整數倍，所以不能緊跟c1后面，得從2開始，c2是1字節對齊，i為4字節對齊，不能從地址5開始存放，否則CPU訪問的時候需要很多次，甚至可能會出錯。所以要在c2后空出3字節，i從地址8開始，c3為1字節對齊，緊跟其后即可，累加起來為13個字節，結構體總大小又要為最大對齊數整數倍，所以該結構體大小為16

那么，將同種類型的成員都放在一起，又占用了多少空間呢？

實際結果：

2.3 例子三

看一下帶結構體嵌套的如何計算：

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    int j;
    char c;
  }MyS1;

  typedef struct
  {
    char c1;
    MyS1 my_s1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  my_s1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

解釋：看了前面幾個例子的分析，相信這個結構體嵌套的大家也會，原理是一樣的。c1為1字節對齊，嵌套的結構體my_s1中的 j 為4字節對齊，地址要為4的整數倍，所以c1后要空出3個字節，c為1個字節，緊跟 j 后，s1為2字節，在c后面空出2個字節，i 是4個字節，s1后面再空2個字節保持對齊，這樣的話，就是 4+4+2+2+4=16，最大對齊數是4，16也是4的整數倍。因此，這個結構體大小為16字節。有沒有很多同學會犯這個錯誤呢？

不要忽略了嵌套結構體的自身的對齊，嵌套的結構體my_s1的最大對齊數為4，因此嵌套的結構體my_s1的結構體大小要為4的整數倍，所以my_s1的結構體大小為8字節，所以，這個結構體的大小為20字節

運行結果：

那么將嵌套結構體中的int類型改成double類型，又是多少呢？

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{
  typedef struct
  {
    double j;
    char c;
  }MyS1;

  typedef struct
  {
    char c1;
    MyS1 my_s1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, my_s1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, my_s1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  my_s1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.my_s1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

運行結果：

這個我就不帶著大家一步一步算了，自己算一下，看下你學會了沒

2.4 例子四

看一下帶聯合體嵌套的如何計算

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{

  typedef struct
  {
    char c1;
    union
    {
      int j;
      char c[8];
    }MyUnion;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, MyUnion:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, MyUnion), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x,  MyUnion:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.MyUnion, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

解釋：這里要注意一點就是，聯合體的各成員共用一塊內存空間，并且同時只有一個成員可以得到這塊內存的使用權(對該內存的讀寫)，各變量共用一個內存首地址。

運行結果：

個人覺得也不用刻意去記這些規則吧，重在理解，記規則的話，很久沒用了估計就忘了。多看看，多筆算算就清楚了。看了前面的分析，其實就兩點，第一個就是結構體成員變量存放的地址是該變量類型的整數倍；第二點就是結構體的大小為最大對齊數的整數倍。

三、修改對齊方式

3.1 使用偽指令#pragma pack (n)

如果你不想使用編譯器的默認對齊方式，可通過以下方式修改結構體的字節對齊方式

在定義的結構體前后加上這兩條指令，n表示你想讓這個結構體按照幾字節對齊。

· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個字節對齊。

· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。

#include < stdio.h >
#include < stddef.h >


int main(void)
{
  #pragma pack (1)
  typedef struct
  {
    char c1;
    short s1;
    int i;  
  }MyStruct;
  #pragma pack ()
  MyStruct st;
  printf("%d
", sizeof(MyStruct));
  printf("offset c1:%d, s1:%d, i:%d
", offsetof(MyStruct, c1), offsetof(MyStruct, s1), offsetof(MyStruct, i));
  printf("addr c1:%x, s1:%x, i:%x
", &st.c1, &st.s1, &st.i);

  return 0;
 }

運行結果：

因為已經設定了按1字節對齊，所以就是，c1為1字節，s1為2字節，i 為2字節，加起來就是 7 字節。

改成按2字節對齊又是多少呢？

實際就是c1后面再空了一個字節