C语言详细分析结构体的内存对齐规则

1. 什么是内存对齐

在计算机内存中，每个数据都需要分配一定的内存空间存储，这些空间的大小不一定相同。内存对齐就是要求每个数据按照某个规则，分配其所需的内存空间。

在C语言中，结构体是一种复合数据类型，由多个数据成员组成。结构体的数据成员排列顺序、数据类型均可能不同，因此需要内存对齐来规定内存空间的分配。

2. C语言中结构体的内存对齐规则

• 结构体的成员变量需要按照其自身大小进行对齐。
• 结构体的起始地址需要满足其成员变量的对齐需求。
• 结构体的大小为所有成员变量大小的和，但是需要按照最大对齐大小进行补齐。

3. 结构体的成员变量对齐规则

• char类型: 对齐大小为1个字节。
• short类型: 对齐大小为2个字节，通常在2字节地址处开始。
• int类型: 对齐大小为4个字节，通常在4字节地址处开始。
• long类型: 对齐大小为4个字节，通常在4字节地址处开始。
• long long类型: 对齐大小为8个字节，通常在8字节地址处开始。
• float类型: 对齐大小为4个字节，通常在4字节地址处开始。
• double类型: 对齐大小为8个字节，通常在8字节地址处开始。
• long double类型: 对齐大小为16个字节，通常在16字节地址处开始。
• 指针类型: 对齐大小为4个字节或8个字节，取决于机器是32位还是64位。

4. 结构体的示例说明

示例1

struct test {
    char a;
    int b;
    float c;
};

在这个结构体定义中，a占用1个字节，b占用4个字节，c占用4个字节。根据内存对齐规则，结构体的内存大小应该为1+4+4=9，但是由于b和c需要4字节对齐，因此在a后面填充3个字节，使得b从4字节地址处开始，c从8字节地址处开始。因此，这个结构体的内存布局如下：

|  a  | 填充 |  b   |  c   |
+-----+------+-----+------+

示例2

struct test {
    short a;
    int b;
    char c;
};

在这个结构体定义中，a占用2个字节，b占用4个字节，c占用1个字节。根据内存对齐规则，结构体的内存大小应该为2+4+1=7，但是由于b需要4字节对齐，因此在a后面填充2个字节，使得b从4字节地址处开始。c则放在后面一个字节的位置，因此不需要填充。因此，这个结构体的内存布局如下：

|   a   | 填充 |  b   |  c  |
+-------+------+-----+-----+

5. 总结

了解结构体内存对齐规则，能够更好的理解C语言程序的内存使用和布局。在工程应用中，考虑结构体内存对齐可以提高内存利用率和程序性能。