图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐

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？

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▍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。

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▍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：《基于C99规范，最全C语言预处理知识总结》

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
	模数	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	长度	1	2	4	4	4	8	8	12
	模数	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	长度	1	2	4	8	4	8	8	16
	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：《基于C99规范，最全C语言预处理知识总结》

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：

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

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

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。

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

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。

大端模式，是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中，这样的存储模式有点儿类似于把数据当作字符串顺序处理：地址由小向大增加，而数据从高位往低位放；这和我们的阅读习惯一致。 

小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。

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：

1. 内存的计算单位是byte，不是bit

2. 结构体内即使有bitfield元素，其对齐规则还是按照基本类型来

3. bitfield元素不能获得其地址（即程序中不能通过&取址）

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：

1. 结构体的内存大小，并非其内部元素大小之和；

2. 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；

3. 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；

4. 模数在不同平台值不一样，也可通过#pragma pack(n)方式去改变；

5. 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；

6. 结构体内有结构体变量元素，其结构体并非展开后再对齐；

7. union和bitfield变量也遵循结构体内存对齐原则。

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▍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。

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▍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。