C語言結構體對齊問題，是面試必備問題。

這不是在面試時要裝B，也不是要故意難為一下面試者，而是這個知識點比較基礎，但很重要。

網(wǎng)上搜出來的嵌入式或C語言筆試題，很多都有這種題目，連《程序員面試寶典》也有講解這種題目。

結構體對齊知識點考察，儼然成為編程技術崗面試筆試的一種標配。

我以前找工作被問這種題的時候就經(jīng)常想，結構體對齊這個東西平常很少用，考這東西干嘛？為什么結構體對齊那么重要。 看看這個例子：

    typedef struct 
    {
        int e_int;
        char e_char1;
        char e_char2;
    }S2;


    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        int e_int;
        char e_char2;
    }S3;
S2s2;
    S3 s3;

你覺得這倆結構體所占內存是一樣大嗎？其實不是！

好像也沒什么啊，一不一樣大對于C語言程序員有什么所謂！

也許你還還感覺不到，上段代碼：

    S2 s2[1024] = {0};
    S3 s3[1024] = {0};

對于32位系統(tǒng)，s2的大小為8K，而s3的大小為12K，一放大，就有很明顯的區(qū)別了。

再舉個例子：

unsignedcharbytes[10]={0};
int* p = (int*)&bytes[3];
*p = 0x345678;

你覺得執(zhí)行上面的代碼會發(fā)生什么情況？Warining？只是Warning么？！

以前我也沒覺得懂得這個結構體對齊或者內存對齊有多重要，直到已經(jīng)從事了嵌入式開發(fā)經(jīng)驗不斷積累，才慢慢體會到，這是一種很基礎的知識，就因為這個東西不常用，而出現(xiàn)相關的問題是非常致命的，排查起來成本非常高。 有個小伙伴，因為一個內存對齊(結構體對齊相關知識點)問題導致的偶發(fā)性Exception問題，折騰了一個多星期。

由于項目接近尾聲，出現(xiàn)這種問題，項目經(jīng)理、老板都操心得不得了。天天不是奶茶水果，就是宵夜，把小伙伴當寶貝來哄，為的就是快速定位這個問題。

然而，他們日以繼夜的排查了一個多星期，依然一臉懵逼。 直到讓我參與進來支援，我通過仿真方式碰巧捕捉到了這種異常情況。問題的根本原因就是強制類型轉換導致的內存對齊問題。

篇幅有限，這個故事，以后慢慢細講。 接下來先看看，結構體對齊的知識點。 結構體對齊，說不難吧，我研究了很多次，都沒完全記住；說難吧，理解其原因本質，就易如破竹。

結構體對齊，其實其本質就是內存對齊。

什么以最大元素變量為單位，什么最小公倍數(shù)等等法則，通通都是讓你死記硬背的，沒兩天就忘了。

為什么要結構體對齊，原因就是內存要對齊，原因是芯片內存的制造限制，是制造成本約束，是內存讀取效率要求。

如果你上學的時候認真學習過微機原理，應該還記得，芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線這個概念吧。

沒學過微機原理也沒關系，8位單片機、16位單片機和32位單片機等等，這些總得聽說過吧。

這個8位、16位和32位等，指的是單片機一次處理數(shù)據(jù)的寬度，也就和數(shù)據(jù)總線相關了。

細心的小伙伴會知道，16位單片機的通用寄存器例如R0的長度是2個字節(jié)的，而32位的是4字節(jié)的。

也就是說16位單片機，單指令一次訪問數(shù)據(jù)是2個字節(jié)，而32位單片機可以訪問4字節(jié)。

為了提高MCU的運行效率，內存設計上，進來適應這個CPU的總線訪問。

以32位MCU為例，其內存一般都是每4字節(jié)（32位）為一個小單元，有時候也叫1個字（Word）。



注意：字節(jié)，這個概念長度是固定的，就是8bit；而字，卻不是固定的，跟CPU或系統(tǒng)位數(shù)有關，有時候還會出現(xiàn)字、雙字這些概念，舉例說明下： 32位計算機：1字=32位=4字節(jié)，64位計算機：1字=64位=8字節(jié) 所以，對于C語言的變量的存放和訪問，都會按著這單位來，例如32位系統(tǒng)中，char是一個字節(jié)的，就按Byte來，int是4字節(jié)的，那么按Word來。

為什么要這樣呢？ 如果，一塊內存在地址上隨便放的，CPU有可能就會用到多條指令來訪問，這就會降低效率。

對于32位系統(tǒng)，如下圖的A可能需要2條指令訪問，而B只需1條指令。

不僅單片機這樣，我們常用的計算機也是這樣

你以為，通過總線的方式可以隨便訪問一個地址嗎

但是，為了提高訪問速度，其設計是這樣的：

這樣，這個地址就必須是8的倍數(shù)。 如果你要從不對齊的內存讀取數(shù)據(jù)，雖然在C語言編程上感覺不到這樣的操作有什么區(qū)別，但CPU是分開多次讀出來的。

這就是內存對齊了。int8（即char）是以1字節(jié)對齊，int16是以2字節(jié)對齊，而int32是以4字節(jié)對齊的，等等。

世界上CPU平臺、系統(tǒng)那么多，我們怎么知道哪個類型到底有多長，是以哪種長度對齊的？

不要瞎猜，直接上代碼。每個平臺都不一樣，請讀者自行測試，以下我是基于Windows上MinGW的GCC測的。

#defineBASE_TYPE_SIZE(t)printf("%12s:%2dByte%s
",#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

這些內容不用記住，不同平臺是不一樣的，使用之前，一定要親自測試驗證下。

這里先解釋下“模數(shù)”的概念：

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。

接著看網(wǎng)上流傳一個表：

平臺	長度/模數(shù)	char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32	長度	1	2	4	4	4	8	8	8
	模數(shù)	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	長度	1	2	4	4	4	8	8	12
	模數(shù)	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	長度	1	2	4	8	4	8	8	16
	模數(shù)	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？

別急，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。簡單匯總以下我測試的結果：

長度/模數(shù)	char	short	int	long	float	double	long long	long double
長度	1	2	4	4	4	8	8	12
模數(shù)	1	2	4	4	4	8	8	8

所以，再強調一下：因為環(huán)境的差異，在你參考使用之前，請自行測試一下。

其實，這個模數(shù)是可以改變的，可以用預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。

例如

#pragma pack(1)
typedef struct 
{
    char e_char;
    long double e_ld;
}S14;
#pragma pack()

想知道結構圖元素內存如何對齊，其實非常簡單。 其實，你只需知道當前你使用的這個系統(tǒng)的基本類型的sizeof是多少，然后根據(jù)這個大小做對齊排布。 例如，本文一開始的例子：

    typedef struct 
    {
        int e_int;
        char e_char1;
        char e_char2;
    }S2;


    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        int e_int;
        char e_char2;
    }S3;
S2s2;
    S3 s3;

32位系統(tǒng)中，它們內存是這么對齊的：

簡單解釋下：

S2中的元素e_int是按4字節(jié)對齊的，其地址位4整數(shù)倍，而e_char1和e_char2就按1字節(jié)對齊，緊跟其后面就可以了；

而S3中的元素e_char1是按1字節(jié)對齊的，放在最前面，而e_int是按4字節(jié)對齊的，其地址位4整數(shù)倍，所以，只能找到個+4的位置，緊接著e_char2就按1字節(jié)對齊，跟其后面就可以了。

那么sizeof(s2)和sizeof(s3)各是多少怎么算？

也很簡單，例如這個32位系統(tǒng)，為了提高執(zhí)行效率，編譯器會讓數(shù)據(jù)訪問以4字節(jié)為單位的，所以S2里有2個字節(jié)留空，即sizeof(s2)=8，而sizeof(s3)=12。

是不是很簡單呢！

接著，來個復雜一點的：

    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        short e_short;
        char e_char2;
        int e_int;
        char e_char3;
    }S4;
S4s4;

其內存分布如下：

按上面的方法，也不難理解。e_int是不能從+5位置開始的，因為+5不是int的對齊位置，用int去訪問+5位置是效率很低或者有問題的，所以它只能從+8位置開始。

再復雜一點的呢？來看看union和struct結合的例子：

    typedef struct
    {
        int e_int1; 
        union
        {
            char ue_chars[9]; 
            int ue_int;
        }u;
        double e_double; 
        int e_int2; 
    }SU2;
SU2su2;

得到：

為什么這樣呢？ 你這樣想，要時刻想著CPU訪問數(shù)據(jù)的效率，如果union里的元素類型不一樣，那就以最大長度的那個類型對齊了。

另外，還有結構體套著結構體的情況了：

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;

得出結果：

得出結論：結構體內的結構體，結構體內的元素并不會和結構體外的元素合并占一個對齊單元。

只要技術上面的對齊方法，這些都不難理解。 如果你非要一些規(guī)則的話，我總結成這樣：

首先，不推薦記憶這些條條框框的文字，以下內容僅供參考：

結構體的內存大小，并非其內部元素大小之和；

結構體變量的起始地址，可以被最大元素基本類型大小或者模數(shù)整除；

結構體的內存對齊，按照其內部最大元素基本類型或者模數(shù)大小對齊；

模數(shù)在不同平臺值不一樣，也可通過#pragma pack(n)方式去改變；

如果空間地址允許，結構體內部元素會拼湊一起放在同一個對齊空間；

結構體內有結構體變量元素，其結構體并非展開后再對齊；

union和bitfield變量也遵循結構體內存對齊原則。

審核編輯：劉清