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(以下有約5000字内容，建議收藏再讀，推薦下載下傳源碼自行測試以加深了解。)
面試官：你知道C語言的結構體對齊嗎？
應聘者：聽說過……平時很少關注
……
面試官：好吧，那回去等通知吧
C語言結構體對齊問題，是面試必備問題。本文，除了用圖解的方式講清楚結構體知識點外，還将為你解答以下問題：
- 為什麼會有結構體記憶體對齊？
- 結構體怎麼對齊？
- 學習結構體對齊有什麼用？
- 結構體對齊有沒有實際應用？
▍結構體記憶體對齊的原因一句話，為了提高效率，這個跟晶片設計有關。自從我們剛學習程式設計開始，就會接觸到例如字、雙字、四字等概念這裡涉及到記憶體邊界問題，它們的位址分别是可被2/4/8整除的。另外，在彙編中，不同長度的記憶體通路會用到不同的彙編指令。如果，一塊記憶體在位址上随便放的，CPU有可能就會用到多條指令來通路，這就會降低效率。對于32位系統，如下圖的A可能需要2條指令通路，而B隻需1條指令。
▍結構體記憶體對齊的規則 1. C語言基本類型的大小不要瞎猜，直接上代碼。 每個平台都不一樣，請讀者自行測試，以下我是基于Windows上MinGW的GCC測的。
#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*);}
結果是：
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
這些内容不用記住，不同平台是不一樣的，使用之前，一定要親自測試驗證下，但是可以總結出以下資訊：
- void類型不是空的，占一個位元組
- long不一定比int大
- C語言空結構體的大小為0(注意：C++的為1)
- 不管什麼類型，指針都是相同大小的
2. C語言結構體的記憶體對齊我先看個例子：
#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……這宏定義是啥意思？傳送門：《 基于C99規範，最全C語言預處理知識總結 》輸出結果：
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
結論1：一般情況下， 結構體所占的記憶體大小并非元素本身大小之和。 結論2： 不嚴謹地，結構體記憶體的大小按最大元素大小對齊。繼續看例子：
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);
輸出結果：
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
出現問題了，你看s12和s14，sizeof(long long)應該是12，按結論而推斷sizeof(s12)和sizeof(s13)應該都是24。這裡跟平台和編譯器的一個模數有關。對結論2修正： 結構體記憶體大小應按最大元素大小對齊，如果最大元素大小超過模數，應按模數大小對齊。額外再送一條結論：如果結構體的最大元素大小超過模數， 結構體的起始位址是可以被模數整除的。如果，最大元素大小沒有超過模數大小，那 它的起始位址是可以被最大元素大小整除。那麼，這個模數是什麼？
每個特定平台上的編譯器都有自己的預設“對齊系數”(也叫對齊模數)。
網上流傳一個表：
| 平台 | 長度/模數 | char | short | int | long | float | double | long long | long double |
| Win-32 | 長度 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 8 |
| 模數 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 8 | |
| Linux-32 | 長度 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 12 |
| 模數 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | |
| Linux-64 | 長度 | 1 | 2 | 4 | 8 | 4 | 8 | 8 | 16 |
| 模數 | 1 | 2 | 4 | 8 | 4 | 8 | 8 | 16 |
本文的的例子我用的是MinGW32的GCC來測試，你猜符合上表的哪一項？别急，再看一個例子：
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);
結果是：
s11 size = 16 s11.e_int addr: 0028FF18, offset: 0 s11 size = 16 s11.e_double addr: 0028FF20, offset: 8
很明顯，上表沒有一項完全對應得上的。簡單彙總以下我測試的結果：
| 長度/模數 | char | short | int | long | float | double | long long | long double |
| 長度 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 12 |
| 模數 | 1 | 2 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 8 |
是以，再強調一下：因為環境的差異， 在你參考使用之前，請自行測試一下。另外，提一下：這個模數是可以改變的，可以用預編譯指令 #pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊系數”。例如
#pragma pack(1)typedef struct { char e_char; long double e_ld;}S14;#pragma pack()
#pragma是啥玩意？有興趣可以看看：《 基于C99規範，最全C語言預處理知識總結 》好了，我們繼續，這似乎沒啥技術含量，我們提升下難度：
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;
你覺得這倆結構體所占記憶體是一樣大嗎？那你就錯了：
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？上個圖先看看，它們記憶體是怎麼對齊的：
我們套一遍那幾條結論就可以知道：了解 按最大元素大小或模數對齊，就可以看到S2的記憶體分布；對于S3，e_int的位置位址，肯定是要按int的大小對齊的(位址可被int大小整除)，這樣才能提高通路效率。同時，這導緻了很大的記憶體浪費。以上例子，我們看到挨在一起的兩個char會放在同一個對齊單元，如果挨在一起的short和char會不會放一起？
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);
輸出結果：
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
得出一個經驗： 我們在定義結構體的時候，盡量把大小相同或相近的元素放一起，以減少結構體占用的記憶體空間。再來一個問題：結構體套着另一個結構體怎麼計算？
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);
輸出結果：
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
得出結論：結構體内的結構體，結構體内的元素并不會和結構體外的元素合并占一個對齊單元。 溫馨提示：大家不要刻意去記這些結論，動手去試試并思考下效果會更好。 3. 聯合體union的記憶體對齊直接上代碼：
typedef union { char e_char; int e_int; }U1; U1 u1; STRUCT_E_ADDR(u1, e_char); STRUCT_E_ADDR(u1, e_int);
輸出結果：
u1 size = 4 u1.e_char addr: 0028FF2C u1 size = 4 u1.e_int addr: 0028FF2C
從教科書上，我都可以了解，聯合體裡面的元素，實際上共享同一個空間。
那麼，union跟struct結合呢？
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)
輸出：
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
實際上跟結構體類似，也沒有特别的規則。
順便提一下，使用union時，要留意平台的大小端問題。
大端模式，是指資料的高位元組儲存在記憶體的低位址中，而資料的低位元組儲存在記憶體的高位址中，這樣的存儲模式有點兒類似于把資料當作字元串順序處理：位址由小向大增加，而資料從高位往低位放；這和我們的閱讀習慣一緻。
小端模式，是指資料的高位元組儲存在記憶體的高位址中，而資料的低位元組儲存在記憶體的低位址中，這種存儲模式将位址的高低和資料位權有效地結合起來，高位址部分權值高，低位址部分權值低。
百度百科——大小端模式
怎麼獲知自己使用的平台的大小端？Linux有個方法：
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)的相關
位域在本文沒什麼好探讨的，在結構體對齊方面沒什麼特别的地方。
直接看個測試代碼，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);}
輸出結果是：
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
有幾個點需要注意下：
- 記憶體的計算機關是byte，不是bit
- 結構體内即使有bitfield元素，其對齊規則還是按照基本類型來
- bitfield元素不能獲得其位址(即程式中不能通過&取址)
5. 規則總結首先，不推薦記憶這些條條框框的文字，以下内容僅供參考：
- 結構體的記憶體大小，并非其内部元素大小之和；
- 結構體變量的起始位址，可以被最大元素基本類型大小或者模數整除；
- 結構體的記憶體對齊，按照其内部最大元素基本類型或者模數大小對齊；
- 模數在不同平台值不一樣，也可通過#pragma pack(n)方式去改變；
- 如果空間位址允許，結構體内部元素會拼湊一起放在同一個對齊空間；
- 結構體内有結構體變量元素，其結構體并非展開後再對齊；
- union和bitfield變量也遵循結構體記憶體對齊原則。
▍程式設計為什麼要關注結構體記憶體對齊也許你會問，結構體愛怎麼對齊就怎麼對齊，我管它幹嘛！ 1. 節省記憶體在嵌入式軟體開發中，特别是記憶體資源匮乏的小MCU，這個尤為重要。如果優化程式記憶體，使得MCU可以選更小的型号，對于大批量出貨的産品，可以帶來更高利潤。也許你還還感覺不到，上段代碼：
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的大小為8K，而s3的大小為12K，一放大，就有很明顯的差別了。 2. union的記憶體對齊需要對于同一個記憶體，有時為了滿足不同的通路形式，定義一個聯合體變量，或者一個結構體和聯合體組合的變量。此時就要知道其記憶體結構是怎麼分布的。 3. 記憶體拷貝
有時候，我們在通信資料接收處理時候，往往遇到，數組和結構體的搭配。
即，通信時候，通常使用數組參數形式接收，而處理的時候，按照預定義格式去通路處理。例如：
U8 comm_data[10];typedef struct{ U8 id; U16 len; U8 data[6];}FRAME;FRAME* pFram = (FRAME*)comm_data;
此處，必須要了解這個FRAM的記憶體結構是怎麼樣的對齊規則。 4. 調試仿真時看壓棧資料在調試某些奇葩問題時，迫不得已，我們會研究函數跳轉或者線程切換時的棧資料，遇到結構體内容，肯定要懂得其記憶體對齊方式才能更好地獲得棧内資訊。當然，還有其他方面的原因，在此就不一一列舉了。 ▍結構體記憶體對齊 實際應用上面一個章節已經部分講到這個結構體記憶體對齊的應用了，例如通信資料的處理等。另外，再舉兩個例子： 1. 記憶體的mapping假設你要做一個燒錄檔案，你想往檔案頭空間128個位元組内放一段項目資訊(例如程式大小、CRC校驗碼、其他項目資訊等)。第一反應，你會考慮用一個結構體，定義一段這樣的資料，程式運作的時候也定義同樣的結構體去讀取這個記憶體。但是你需要知道結構體大小啊，這個結構體記憶體對齊的規則還是需要了解的。 2. 單片機寄存器的mapping在寫MCU驅動的時候，通路寄存器的方式有很多種，但是做到清晰明了，适配性好的，往往需要諸多考量。直接通過整型指針指到特定位址去通路，是沒有問題的，但是對于某一類型的寄存器，往往不是一個固定位址，其後面還有一堆子寄存器屬性需要配置。每個位址都通過整型指針通路，那就很多很淩亂。我們可以通過定義一個特定的結構體，用其指針直接mapping到寄存器的base位址。但是遇到有些位址是空的怎麼辦？甚至有些寄存器是32位的，有些16位，甚至8位的，各種參差不齊都在裡面。那就要考慮結構體記憶體對齊了，特别是結構體内有不同類型的元素。
這裡隻探讨應用場景，具體實作還要根據實際情況來定義。 ▍測試源碼
篇幅有限，此處不貼完整的源碼了。
如果想要擷取源碼，關注公衆号，回複"struct"即可獲得下載下傳連結。
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