在 C 语言中使用结体构对齐和填充

1. 了解 C 语言中对齐和填充的基础知识
2. 在 C 语言中使用成员重新排序技术来节省对象的空间

本文将介绍几种在 C 语言中使用结构体来对齐和填充的方法。

了解 C 语言中对齐和填充的基础知识

内存中的所有对象都以主要数据类型表示，如：char、short、int、long、pointer 等。char、short、int、long、pointer 等。这些数据类型在内存中都有其相应的大小。在大多数当代 64 位桌面处理器上，char 的大小是 1 个字节，short 是 2 个字节，int 是 4 个字节，pointer 是 8 个字节，以此类推。请注意，这些都不是保证大小（除了 char），但可以使用 sizeof 操作符检索对象的大小。现在，对齐是编译器用来放置内存中的变量的方法，意味着每个基本数据类型都存储在被相应大小除以的地址上。

通常，利用对齐来更快、更有效地访问数据对象。对齐迫使连续声明的不同数据类型在其地址之间包含一些间距。也就是说，如果我们声明一个结构 st1，其中有一个指针和一个 char，如下面的例子所示，它总共会占用 16 个字节。不过要注意，一个指针需要 8 个字节，一个 char 需要一个字节，所以人们会认为 st1 结构一定会占用 9 个字节。但它的表现就像所有成员都是按照最大成员的大小（即 8 个字节）对齐的。st2 结构展示了一个类似的结构，它占据了同样的内存量，只是它有一个 7 个 char 成员的数组。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {

    typedef struct {
        char *p;
        char c2;
    } st1;

    typedef struct {
        char *p;
        char c2;
        char padding[7];
    } st2;

    printf("sizeof st1 = %zu\n", sizeof(st1));
    printf("sizeof st2 = %zu\n", sizeof(st2));

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

输出：

sizeof st1 = 16
sizeof st2 = 16

在 C 语言中使用成员重新排序技术来节省对象的空间

前面的例子表明，当结构包括不同类型，并且没有填满对齐边界时，会有一些内存的浪费。虽然，在某些情况下，可能会重新排列结构成员，节省额外的空间。

接下来的示例代码中定义了 foo1 结构，它的中间是最大的成员（char *），而 foo2 结构的成员与第一个结构相同。这两个对象的大小是不同的–24 字节和 16 字节。这与数据成员的排序有关。在 foo1 结构中，p 需要在被 8 整除的地址上对齐，所以前面的 int 和 short 总共会占用 8 个字节，后面的两个 char 也会占用这 8 个字节。虽然，如果我们把 p 移到第一位，下面的成员将挤进 8 个字节，也满足对齐规则。这样，foo2 的大小一共是 16 个字节，就叫打包 struct。请注意，gcc 编译器有特殊的 __attribute__((packed)) 指定符，该说明符甚至可以强制打包无序的 struct 成员。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {

    typedef struct {
        int n1;
        short s1;
        char *p;
        char c1;
        char c2;
    } foo1;

    typedef struct {
        char *p;
        int n1;
        short s1;
        char c1;
        char c2;
    } foo2;

    typedef struct {
        int n1;
        short s1;
        char *p;
        char c1;
        char c2;
    } __attribute__((packed)) foo3;

    printf("sizeof foo1 = %zu\n", sizeof(foo1));
    printf("sizeof foo2 = %zu\n", sizeof(foo2));
    printf("sizeof foo3 = %zu\n", sizeof(foo3));

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

输出：

sizeof foo1 = 24
sizeof foo2 = 16
sizeof foo3 = 16