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一、前言

大家都知道，不同的数据类型在内存中占的空间大小是不一样的，如char占1个字节，short占两个字节，int占四个字节等。那如果把这些数据类型放在同一个结构体中，结构体的大小是否就刚好等于这些数据类型的大小之和呢？答案是不一定的，因为系统可能会对结构体存储空间进行优化，以提高访问速度，这其中涉及到的知识就是字节对齐。

二、名词解释

1.1、什么是字节对齐？

在现代计算机中，内存空间都是按照字节（byte）划分的。从理论上讲对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是，访问特定类型的变量的时候经常在待定的内存地址访问，这就需要各种类型的数据按照一定规则在空间上排列，而不是顺序地一个接一个地排放，这种所谓的规则就是字节对齐。

1.2、几个名词解释。

自身对齐值：数据类型本身的对齐值，如char类型是1，short类型是2。

指定对齐值：编译器或程序员指定的对齐值，如c-free默认对齐值是8；32位单片机的对齐值是4；可以通过伪指令#pragma pack(n)来改变这个默认值。

#pragma pack(4)//指定4字节对齐
typedef struct _student3_t
{
  char a;
  double b;
  char c;
}student3_t;
#pragma pack()

有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个。如double自身对齐值是8，指定对齐值是4，则它的有效对齐值就是4。

三、字节对齐的规则

字节对齐有两个规则：

1、存放成员的起始地址必须是该成员有效对齐值的整数倍。

2、不但结构体的成员有有效对齐值，结构体本身也有有效对齐值，根据规则1算完成员占用空间后，最后要将其补齐为该结构体有效对齐值的整数倍。结构体的有效对齐值是其最大数据成员的自身对齐值。

下面我们来通过一个例子，看下编译器是如何进行字节对齐的。

四、实战练习

我这里以C-free编译器（指定对齐值是8），列举个例子：

//demo1
typedef struct _student_t
{
  int a;   //0x0000-0x0004
  char b;  //0x0004-0x0005
  short c; //0x0006-0x0007
  double d; //0x0008-0x0016
  char e;   //0x0016-0x0017
}student_t;
int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;  
}

得到运行结果是24，那这个24是怎么来的呢？怎么不是4+1+2+8+1 =16？

下面我们来分析：

我们假定该结构体的首地址为0x0000

a成员的自身对齐值是4，根据指定对齐值是8，算出它的有效对齐值是4（4和8中较小的那个），它的起始地址0x0000是4的整数倍，满足规则1，故它占有4个字节。此时地址用了0x0000-0x0004.

b成员的自身对齐值是1，指定对齐值是8，有效对齐值是1，它的起始地址0x0004是1的整数倍，故它占有1个字节，地址用了0x0004-0x0005.

c成员的自身对齐值是2，指定对齐值是8，有效对齐值是2，它的起始地址是0x0005，不是2的整数倍，因此需要在b成员后填充一个字节，让c成员的起始地址为0x0006，故它占有2个字节，地址用了0x0006-0x0007

以此类推：

d成员的自身对齐值是8，指定对齐值是8，有效对齐值是8，起始地址是0x0008-0x0010

e成员的自身对齐值是1，指定对齐值是8，有效对齐值是1，起始地址是0x0011-0x0012

结构体A的有效对齐值是其最大数据成员的自身对齐值，也就是d成员的8,根据规则2，算下0x0012 = 18不是8的倍数，需要在末尾补齐，也就是补到24个字节即可。

故最后算的该结构体的长度为24.

结构体的成员位置可能会影响到结构体大小。

我们如果将上述结构体成员换个顺序：

typedef struct _student_t
{
  char b;   
  char e;  
  short c;  
  int a;   
  double d; 
}student_t;
int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;  
}

b成员的自身对齐值是1，指定对齐值是8，有效对齐值是1，起始地址是0x0000-0x0001.

e成员的自身对齐值是1，指定对齐值是8，有效对齐值是1，起始地址是0x0001-0x0002.

c成员的自身对齐值是2，指定对齐值是8，有效对齐值是2，起始地址是0x0002-0x0004.

a成员的自身对齐值是4，指定对齐值是8，有效对齐值是4，起始地址是0x0004-0x0008.

d成员的自身对齐值是8，指定对齐值是8，有效对齐值是8，起始地址是0x0008-0x00010.

按照上述同样的规则，算得结构体长度为16.

我们发现这次编译器没有为结构体填充任何空间，在定义结构体时，我们要尽量达到这种效果。

我们再来看一个内嵌数组的例子

typedef struct _student_t
{
  char a;  //0 - 1 
  char b[8]; //1 - 9
  int c;   //12-16
}student_t;
int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;
}

运行结果是16



这里其实b数组，我们可以看成是8个char类型的变量，然后往下面继续算即可。

我们再来看一个内嵌结构体的例子

typedef struct _student1_t
{
  int a;
  short b;
  float d;
}student1_t;

typedef struct _student_t
{
  char a;  
  student1_t student;
  short d;
}student_t;

int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;
}

算得结构体的大小为20



这里计算的时候，同样的我们可以把这个内嵌的结构体成员直接搬过来进行计算即可，它大小等同于下面：

typedef struct _student_t
{
  char a;  
  int c;
  short b;
  float e;
  short d;
}student_t;

int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;
}

最后，我们加上伪指令，改变上述结构体的指定对齐值为2，看看效果：

#pragma pack(2)
typedef struct _student_t
{
  char a;  //0 - 1 
  int c;
  short b;
  float e;
  short d;
}student_t;
#pragma pack()
int main(void)
{
  printf("%d\r\n",sizeof(student_t));
  return 0;
}

运行得到结构体大小是14



我们看到，结构体的大小由20变成了14，改变指定对齐值影响到了该结构体的大小。

原因就是成员的有效对齐值因为指定对齐值变小而变小了。

根据规则1：存放成员的起始地址必须是该成员有效对齐值的整数倍，这样我们就可以用较少空间来存放该结构体。

五、结语

如您在使用过程中有任何问题，请加QQ群进一步交流。

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