图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐

vlambda
2020-06-07

图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐

（以下有约5000字内容，建议收藏再读，推荐下载源码自行测试以加深理解。）

面试官：你知道C语言的结构体对齐吗？

应聘者：听说过……平时很少关注

……

面试官：好吧，那回去等通知吧

C语言结构体对齐问题，是面试必备问题。

本文，除了用图解的方式讲清楚结构体知识点外，还将为你解答以下问题：

为什么会有结构体内存对齐？
结构体怎么对齐？
学习结构体对齐有什么用？
结构体对齐有没有实际应用？

▍结构体内存对齐的原因

一句话，为了提高效率，这个跟芯片设计有关。

自从我们刚学习编程开始，就会接触到例如字、双字、四字等概念这里涉及到内存边界问题，它们的地址分别是可被2/4/8整除的。另外，在汇编中，不同长度的内存访问会用到不同的汇编指令。

如果，一块内存在地址上随便放的，CPU有可能就会用到多条指令来访问，这就会降低效率。

对于32位系统，如下图的A可能需要2条指令访问，而B只需1条指令。

图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐

▍结构体内存对齐的规则

1. C语言基本类型的大小

不要瞎猜，直接上代码。每个平台都不一样，请读者自行测试，以下我是基于Windows上MinGW的GCC测的。

#define BASE_TYPE_SIZE(t)   printf("%12s : %2d Byte%s\n", #t, sizeof(t), (sizeof(t))>1?"s":"")void base_type_size(void){ BASE_TYPE_SIZE(void); BASE_TYPE_SIZE(char); BASE_TYPE_SIZE(short); BASE_TYPE_SIZE(int); BASE_TYPE_SIZE(long); BASE_TYPE_SIZE(long long); BASE_TYPE_SIZE(float); BASE_TYPE_SIZE(double); BASE_TYPE_SIZE(long double); BASE_TYPE_SIZE(void*); BASE_TYPE_SIZE(char*); BASE_TYPE_SIZE(int*);  typedef struct  { }StructNull; BASE_TYPE_SIZE(StructNull); BASE_TYPE_SIZE(StructNull*);}

结果是：

 void : 1 Byte char : 1 Byte short : 2 Bytes int : 4 Bytes long : 4 Bytes long long : 8 Bytes float : 4 Bytes double : 8 Bytes long double : 12 Bytes void* : 4 Bytes char* : 4 Bytes int* : 4 Bytes StructNull : 0 Byte StructNull* : 4 Bytes

这些内容不用记住，不同平台是不一样的，使用之前，一定要亲自测试验证下，但是可以总结出以下信息：

void类型不是空的，占一个字节
long不一定比int大
C语言空结构体的大小为0（注意：C++的为1）
不管什么类型，指针都是相同大小的

2. C语言结构体的内存对齐

我先看个例子：

#define offset(type, member) (size_t)&(((type *)0)->member)#define STRUCT_E_ADDR(s,e)          printf("%5s size = %2d %16s addr: %p\n", #s, sizeof(s), #s"."#e, &s.e)#define STRUCT_E_OFFSET(s,e) printf("%5s size = %2d %16s offset: %2d\n", #s, sizeof(s), #s"."#e, offset(__typeof__(s),e))#define STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s,e) printf("%5s size = %2d %16s addr: %p, offset: %2d\n", #s, sizeof(s), #s"."#e, &s.e, offset(__typeof__(s),e))
typedef struct { int e_int; char e_char;}S1;S1 s1;STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s1, e_int);STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s1, e_char);typedef struct { int e_int; double e_double;}S11;S11 s11; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_int);STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_double);

咦……这宏定义是啥意思？传送门：《 》

输出结果：

 s1 size = 8 s1.e_int addr: 0028FF28, offset: 0 s1 size = 8 s1.e_char addr: 0028FF2C, offset: 4 s11 size = 16 s11.e_int addr: 0028FF18, offset: 0 s11 size = 16 s11.e_double addr: 0028FF20, offset: 8

结论1：一般情况下，结构体所占的内存大小并非元素本身大小之和。

结论2：不严谨地，结构体内存的大小按最大元素大小对齐。

继续看例子：

 typedef struct  { int e_int; long double e_ld; }S12;
 typedef struct  { long long e_ll; long double e_ld; }S13;
 typedef struct  { char e_char; long double e_ld; }S14;
    S12 s12; S13 s13; S14 s14; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s12, e_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s12, e_ld); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s13, e_ll); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s13, e_ld); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s14, e_char); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s14, e_ld);

输出结果：

 s12 size = 16 s12.e_int addr: 0028FF08, offset: 0 s12 size = 16 s12.e_ld addr: 0028FF0C, offset: 4 s13 size = 24 s13.e_ll addr: 0028FEF0, offset: 0 s13 size = 24 s13.e_ld addr: 0028FEF8, offset: 8 s14 size = 16 s14.e_char addr: 0028FEE0, offset: 0 s14 size = 16 s14.e_ld addr: 0028FEE4, offset: 4

出现问题了，你看s12和s14，sizeof(long long)应该是12，按结论而推断sizeof(s12)和sizeof(s13)应该都是24。

这里跟平台和编译器的一个模数有关。

对结论2修正：结构体内存大小应按最大元素大小对齐，如果最大元素大小超过模数，应按模数大小对齐。

额外再送一条结论：如果结构体的最大元素大小超过模数，结构体的起始地址是可以被模数整除的。如果，最大元素大小没有超过模数大小，那它的起始地址是可以被最大元素大小整除。

那么，这个模数是什么？

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。

网上流传一个表：

平台	长度/模数	char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32	长度	1	2	4	4	4	8	8	8
Win-32	模数	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	长度	1	2	4	4	4	8	8	12
Linux-32	模数	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	长度	1	2	4	8	4	8	8	16
Linux-64	模数	1	2	4	8	4	8	8	16

本文的的例子我用的是MinGW32的GCC来测试，你猜符合上表的哪一项？

别急，再看一个例子：

 typedef struct  { int e_int; double e_double; }S11; S11 s11;    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_double);

结果是：

 s11 size = 16 s11.e_int addr: 0028FF18, offset: 0 s11 size = 16 s11.e_double addr: 0028FF20, offset: 8

很明显，上表没有一项完全对应得上的。简单汇总以下我测试的结果：

长度/模数	char	short	int	long	float	double	long long	long double
长度	1	2	4	4	4	8	8	12
模数	1	2	4	4	4	8	8	8

所以，再强调一下：因为环境的差异，在你参考使用之前，请自行测试一下。

另外，提一下：这个模数是可以改变的，可以用预编译命令 #pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

例如

#pragma pack(1)typedef struct { char e_char; long double e_ld;}S14;#pragma pack()

#pragma是啥玩意？有兴趣可以看看：《 》

好了，我们继续，这似乎没啥技术含量，我们提升下难度：

 typedef struct  { int e_int; char e_char1; char e_char2; }S2;
 typedef struct  { char e_char1; int e_int; char e_char2; }S3;    S2 s2; S3 s3;

你觉得这俩结构体所占内存是一样大吗？那你就错了：

 s2 size = 8 s2.e_int addr: 0028FED4, offset: 0 s2 size = 8 s2.e_char1 addr: 0028FED8, offset: 4 s2 size = 8 s2.e_char2 addr: 0028FED9, offset: 5 s3 size = 12 s3.e_char1 addr: 0028FEC4, offset: 0 s3 size = 12 s3.e_int addr: 0028FEC8, offset: 4 s3 size = 12 s3.e_char2 addr: 0028FECC, offset: 8

why？

上个图先看看，它们内存是怎么对齐的：

图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐

我们套一遍那几条结论就可以知道：

理解按最大元素大小或模数对齐，就可以看到S2的内存分布；

对于S3，e_int的位置地址，肯定是要按int的大小对齐的（地址可被int大小整除），这样才能提高访问效率。同时，这导致了很大的内存浪费。

以上例子，我们看到挨在一起的两个char会放在同一个对齐单元，如果挨在一起的short和char会不会放一起？

 typedef struct  { char e_char1; short e_short; char e_char2; int e_int; char e_char3; }S4; S4 s4; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_short); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char2); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char3);

输出结果：

 s4 size = 16 s4.e_char1 addr: 0028FEB4, offset: 0 s4 size = 16 s4.e_short addr: 0028FEB6, offset: 2 s4 size = 16 s4.e_char2 addr: 0028FEB8, offset: 4 s4 size = 16 s4.e_int addr: 0028FEBC, offset: 8 s4 size = 16 s4.e_char3 addr: 0028FEC0, offset: 12

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得出一个经验：

我们在定义结构体的时候，尽量把大小相同或相近的元素放一起，以减少结构体占用的内存空间。

再来一个问题：

结构体套着另一个结构体怎么计算？

 typedef struct  { int e_int; char e_char;    }S1;   typedef struct  { S1 e_s; char e_char; }SS1;
 typedef struct  { short e_short; char e_char; }S6;
 typedef struct  { S6 e_s; char e_char; }SS2;         SS1 ss1;    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss1, e_s); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss1, e_char);
 SS2 ss2; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss2, e_s); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss2, e_char);

输出结果：

 ss1 size = 12 ss1.e_s addr: 0028FE94, offset: 0 ss1 size = 12 ss1.e_char addr: 0028FE9C, offset: 8 ss2 size = 6 ss2.e_s addr: 0028FE8E, offset: 0 ss2 size = 6 ss2.e_char addr: 0028FE92, offset: 4

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得出结论：结构体内的结构体，结构体内的元素并不会和结构体外的元素合并占一个对齐单元。

温馨提示：大家不要刻意去记这些结论，动手去试试并思考下效果会更好。

3. 联合体union的内存对齐

直接上代码：

 typedef union  { char e_char; int e_int; }U1;
 U1 u1; STRUCT_E_ADDR(u1, e_char); STRUCT_E_ADDR(u1, e_int);

输出结果：

 u1 size = 4 u1.e_char addr: 0028FF2C u1 size = 4 u1.e_int addr: 0028FF2C

从教科书上，我都可以理解，联合体里面的元素，实际上共享同一个空间。

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那么，union跟struct结合呢？

 typedef struct { int e_int1;  union { char ue_chars[9];  int ue_int; }u; double e_double;  int e_int2;  }SU2; SU2 su2;    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, e_int1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, u.ue_chars); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, u.ue_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, e_double);    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, e_int2)

输出：

 su2 size = 32 su2.e_int1 addr: 0028FEF8, offset: 0 su2 size = 32 su2.u.ue_chars addr: 0028FEFC, offset: 4 su2 size = 32 su2.u.ue_int addr: 0028FEFC, offset: 4 su2 size = 32 su2.e_double addr: 0028FF08, offset: 16 su2 size = 32 su2.e_int2 addr: 0028FF10, offset: 24

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实际上跟结构体类似，也没有特别的规则。

顺便提一下，使用union时，要留意平台的大小端问题。

百度百科——大小端模式

怎么获知自己使用的平台的大小端？Linux有个方法：

 static union {  char c[4];  unsigned long l;  } endian_test = { { 'l', '?', '?', 'b' } }; #define ENDIANNESS ((char)endian_test.l)
 printf("ENDIANNESS: %c\n", ENDIANNESS);

4. 位域（Bitfield）的相关

位域在本文没什么好探讨的，在结构体对齐方面没什么特别的地方。

直接看个测试代码，就可以明白：

void bitfield_type_size(void){ typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; char bf4:3; }SB1;
 typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; char bf4:7; }SB2;
 typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; int bfint:1; }SB3;
 typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; int bfint:1; char bf3:1; }SB4;
 SB1 sb1; SB2 sb2; SB3 sb3;    SB4 sb4; VAR_ADDR(sb1); VAR_ADDR(sb2); VAR_ADDR(sb3); VAR_ADDR(sb4);  typedef struct { unsigned char bf1:1; unsigned char bf2:1; unsigned char bf3:1; unsigned char bf4:3; }SB11;
 typedef union  { SB11 sb1; unsigned char e_char; }UB1; UB1 ub1;
 STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ub1, sb1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ub1, e_char);
 ub1.e_char = 0xF5; BITFIELD_VAL(ub1, e_char); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf1); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf2); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf3); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf4);}

输出结果是：

 sb1 size = 1 sb1 addr: 0028FF2F sb2 size = 2 sb2 addr: 0028FF2D sb3 size = 8 sb3 addr: 0028FF24 sb4 size = 12 sb4 addr: 0028FF18 ub1 size = 1 ub1.sb1 addr: 0028FF17, offset: 0 ub1 size = 1 ub1.e_char addr: 0028FF17, offset: 0 ub1 : 1 Byte, ub1.e_char=0xF5 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf1=0x1 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf2=0x0 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf3=0x1 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf4=0x6

有几个点需要注意下：

内存的计算单位是byte，不是bit
结构体内即使有bitfield元素，其对齐规则还是按照基本类型来

5. 规则总结

首先，不推荐记忆这些条条框框的文字，以下内容仅供参考：

结构体的内存大小，并非其内部元素大小之和；
结构体变量的起始地址，可以被最大元素基本类型大小或者模数整除；
结构体的内存对齐，按照其内部最大元素基本类型或者模数大小对齐；
模数在不同平台值不一样，也可通过#pragma pack(n)方式去改变；
如果空间地址允许，结构体内部元素会拼凑一起放在同一个对齐空间；
结构体内有结构体变量元素，其结构体并非展开后再对齐；
union和bitfield变量也遵循结构体内存对齐原则。

▍编程为什么要关注结构体内存对齐

也许你会问，结构体爱怎么对齐就怎么对齐，我管它干嘛！

1. 节省内存

在嵌入式软件开发中，特别是内存资源匮乏的小MCU，这个尤为重要。如果优化程序内存，使得MCU可以选更小的型号，对于大批量出货的产品，可以带来更高利润。

也许你还还感觉不到，上段代码：

 typedef struct  { int e_int; char e_char1; char e_char2; }S2;
 typedef struct  { char e_char1; int e_int; char e_char2; }S3;  S2 s2[1024] = {0}; S3 s3[1024] = {0};

s2的大小为8K，而s3的大小为12K，一放大，就有很明显的区别了。

2. union的内存对齐需要

对于同一个内存，有时为了满足不同的访问形式，定义一个联合体变量，或者一个结构体和联合体组合的变量。此时就要知道其内存结构是怎么分布的。

3. 内存拷贝

有时候，我们在通信数据接收处理时候，往往遇到，数组和结构体的搭配。

即，通信时候，通常使用数组参数形式接收，而处理的时候，按照预定义格式去访问处理。例如：

U8 comm_data[10];typedef struct{ U8 id; U16 len; U8 data[6];}FRAME;
FRAME* pFram = (FRAME*)comm_data;

此处，必须要理解这个FRAM的内存结构是怎么样的对齐规则。

4. 调试仿真时看压栈数据

在调试某些奇葩问题时，迫不得已，我们会研究函数跳转或者线程切换时的栈数据，遇到结构体内容，肯定要懂得其内存对齐方式才能更好地获得栈内信息。

当然，还有其他方面的原因，在此就不一一列举了。

▍结构体内存对齐实际应用

上面一个章节已经部分讲到这个结构体内存对齐的应用了，例如通信数据的处理等。另外，再举两个例子：

1. 内存的mapping

假设你要做一个烧录文件，你想往文件头空间128个字节内放一段项目信息（例如程序大小、CRC校验码、其他项目信息等）。第一反应，你会考虑用一个结构体，定义一段这样的数据，程序运行的时候也定义同样的结构体去读取这个内存。但是你需要知道结构体大小啊，这个结构体内存对齐的规则还是需要了解的。

2. 单片机寄存器的mapping

在写MCU驱动的时候，访问寄存器的方式有很多种，但是做到清晰明了，适配性好的，往往需要诸多考量。

直接通过整型指针指到特定地址去访问，是没有问题的，但是对于某一类型的寄存器，往往不是一个固定地址，其后面还有一堆子寄存器属性需要配置。每个地址都通过整型指针访问，那就很多很凌乱。

我们可以通过定义一个特定的结构体，用其指针直接mapping到寄存器的base地址。但是遇到有些地址是空的怎么办？甚至有些寄存器是32位的，有些16位，甚至8位的，各种参差不齐都在里面。

那就要考虑结构体内存对齐了，特别是结构体内有不同类型的元素。

这里只探讨应用场景，具体实现还要根据实际情况来定义。

▍测试源码

篇幅有限，此处不贴完整的源码了。

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