正文
 

 
大家好，我是bug菌！
 
最近看到一些朋友在交流结构体对齐方面的一些问题，从他们的交谈中隐隐约感觉有几个朋友对结构体成员的对齐理解上有点偏差，不能说完全不对吧，毕竟这是老生常谈的问题了~
 
所以bug菌今天跟大家好好谈谈对齐这个话题~
 
1
 
变量与内存
 
首先我们要明确，在嵌入式C语言中变量是什么？其实所谓的变量就是一小段内存。
 
当你随心所欲的在C程序中定义着各种变量，有没有想过他们是如何被安排到相应内存上的?
 
好吧，其实他们是怎么安排的，并不需要程序员太多的操心，这个映射过程都是编译器自动给大家分配的，(可以借助动态内存的角度去看待这个分配问题)，因为大部分变量在一定内存区域上是可以任意选择地址的，比如你定义一个全局的int gVar 变量，在不进行特殊指定内存位置的情况下，其编译后所分配的内存地址并不一定每次都是相同的；当然，每次编译完成便会确定下来，并且程序中对该变量的访问，均会使用所确定下来的内存地址。
 
既然变量的地址分配过程由编译器自动完成，但有时候我们想把一些或者某个变量放在固定的内存地址处等，此时就需要通过一些语法来告诉编译器该如何分配这些指定变量内存的分配，比如要做复位数据恢复等。
 
然而内存的对齐问题也是对这些变量分配位置处理的一种方式，通常我们看到的align或者pack等就是来干预编译器的这块处理的。
 
2
 
结构体对齐
 
理解了上面的一个思路，那么我们来分析分析结构体对齐问题。
 

  
参考demo：
 
 
 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3
 4/*默认对齐方式*/ 
 5typedef struct _tag_ContrlObj1
 6{
 7    char member1;
 8    int member2;
 9
10}sContrl1;
11
12/*1字节对齐*/ 
13#pragma pack(1) 
14typedef struct _tag_ContrlObj2
15{
16    char member1;
17    int member2;
18
19}sContrl2;
20#pragma pack()
21
22/*2字节对齐*/ 
23#pragma pack(2)
24typedef struct _tag_ContrlObj3
25{
26    char member1;
27    int member2;
28
29}sContrl3;
30#pragma pack()
31
32/*4字节对齐*/ 
33#pragma pack(4)
34typedef struct _tag_ContrlObj4
35{
36    char member1;
37    int member2;
38
39}sContrl4;
40#pragma pack()
41
42/*8字节对齐*/  
43#pragma pack(8)
44typedef struct _tag_ContrlObj5
45{
46    char member1;
47    int member2;
48
49}sContrl5;
50#pragma pack()
51
52int main(int argc, char *argv[]) {
53
54    printf("default:%d\n",sizeof(sContrl1));
55    printf("pack(1):%d\n",sizeof(sContrl2)); 
56    printf("pack(2):%d\n",sizeof(sContrl3));
57    printf("pack(4):%d\n",sizeof(sContrl4));
58    printf("pack(5):%d\n",sizeof(sContrl5));
59
60    return 0;
61}

 

  
运行结果：
 
 

 
以上编译结果采用的是32位编译器，默认对齐方式是4个字节，char类型占据1个字节，int占据4个字节,下面简单分析一下结果:
 
1、默认方式，采用4个字节对齐，那么char后面需要填充3个字节，然后存放int类型，所以结构体大小输出为8。
 
2、1字节对齐方式，直接紧凑排列，很多人也叫不进行对齐处理，所以输出结果是5。
 
3、2字节对齐方式，其实和4个字节对齐是类似的，char按照2字节对齐，所以后面需要填充一个字节，这样int才能以两字节对齐排布，此时整个结构体占据6个字节。
 
4、4字节对齐方式与默认对齐方式一致，最后看看8字节对齐，此时char类型与int类型完全能够被8个字节容纳，而该结构体最大数据类型是4个字节，所以char后面会预留3个字节，进行4字节对齐，然后放置int类型，此时与4字节对齐是一致的。
 
那么一些朋友会问，是不是在上面的8字节例子中再加入一个char类型的成员，整个结构体就会占据16个字节了呢？
 
1/*8字节对齐*/  
2#pragma pack(8)
3typedef struct _tag_ContrlObj5
4{
5    char  member1;
6    int   member2;
7    char  member3;
8}sContrl5;
9#pragma pack()


 
其输出结果如下:
 

 
结构体所占据的字节是12个，那是不是认为8字节对齐没有意义呢？
 
我们再看一个实验:
 
1/*8字节对齐*/  
2#pragma pack(8)
3typedef struct _tag_ContrlObj5
4{
5    char     member1;
6    double   member2;
7    char     member3;
8}sContrl5;
9#pragma pack()


 
此时double占据了8个字节，按照前面的思路应该是4+8+4，应该最终结构体的大小是16个字节，而结果显示:
 

 
输出结果显示24=8+8+8的形式，大家也可以直接采用打印结构体成员地址的办法查看是几个字节对齐，有点晕，到底编译器这一块是怎么处理的呢？
 
结论是：对齐字节数 = min<当前指定的pack值，最大成员所占字节大小>。
 
很多朋友其实研究到这个阶段基本上就没有再继续探究了~嵌入式C语言一定要跟硬件结合理解~
 
3
 
内存对齐
 
其实所谓的结构体对齐，并不是简单的1个字节、两个字节等多个字节的排列组合，而是在对应对齐地址上分布。
 
首先对齐需要解决的问题是什么 ? 即为啥需要对齐？
 
提高内存的访问效率，也可以说是受CPU等硬件方面的限制，按照特定的对齐地址进行数据的访问要快于跨非对齐地址的内存访问；并且有些平台仅支持对齐方式访问，非对齐方式会直接运行错误。
 

 
为了加快相关数据的正确访问，编译器会把相关的变量尽量的放到对齐的地址上，也就是默认的对齐方式，比如CPU在偶数地址上访问比较快，那么就会采用2个字节对齐的方式。

 
所以结构体内部成员并不是简单成员字节个数的对齐拼凑，而是让结构体成员落在对齐的地址上以便访问。如下图所示，当进行2字节对齐，如果只是简单的拼凑，两种分布都是可以的，但是左侧才是正确的2字节对齐方式，char成员变量的地址是2，int变量的地址是4，均为2字节的倍数。
 

 
总结一下: 结构体对齐不再是简单的字节个数的拼凑，而是要与内存地址进行挂钩~一般我们也可以理解为内存地址分配是多少字节的倍数，就是多少直接对齐~
 
enjoy~
 
最后
 
    今天的内容就到这里了，觉得有所收获，记得点个赞哦~~
 

 
推荐专辑  点击蓝色字体即可跳转

 
☞  MCU进阶专辑 
 
☞  嵌入式C语言进阶专辑 
 
☞  “bug说”专辑 
 
☞ 专辑|Linux应用程序编程大全
 
☞ 专辑|学点网络知识
 
☞ 专辑|手撕C语言
 
☞ 专辑|手撕C++语言
 
☞ 专辑|经验分享
 
☞ 专辑|电能控制技术
 
 

原则一：每个成员所放位置：结构体中元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每一个元素放置到内存中时，它都会认为内存是以它自己的大小来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始（以结构体变量首地址为0计算）。
 
原则二：最后结算：在经过第一原则分析后，检查计算出的存储单元是否为所有元素中最宽的元素的长度的整数倍，是，则结束；若不是，则补齐为它的整数倍。
 
转载地址：https://blog.csdn.net/u011404495/article/details/54837797
 
leetcode中描述更准确：
 
基本类型才需要自己宽度的整数倍上开始；
 
内存对齐：编译器将程序中的每个“数据单元”安排在字的整数倍的地址指向的内存之中
 内存对齐的原则：
 
结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员大小与对齐基数中的较小者所整除；
 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量 （offset） 都是该成员大小与对齐基数中的较小者的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节 （internal padding）；
 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小与对齐基数中的较小者的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节 （trailing padding）。
 
C++ sizeof(string) 基于VS2015编译器 转载地址：https://blog.csdn.net/sols000/article/details/103989637?utm_medium=distribute.pc_relevant_bbs_down.none-task-blog-baidujs-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_bbs_down.none-task-blog-baidujs-1.nonecase
 
名称
X86 (字节数)
X64（字节数）
Allocator
4
8
原始字符传 Data 位置
15+1  最多包含15个字符加一个结束符‘\0’
15+1  最多包含15个字符加一个结束符‘\0’
字符长度 Size
4
8
当前容量 Capacity
4
8
总计
28
40
 

 
目录
 
①结构体嵌套对齐以及结构体中含有数组的对齐
②其余的对齐规则


 
基本的结构体对齐知识点击这里
 
①结构体嵌套对齐以及结构体中含有数组的对齐
 
32位系统环境
 规则一：结构体中含有数组，数组元素类型和结构中其余的最大类型取较大者 对齐
 规则二：结构体S2中嵌套结构体S1，则按照S1的最大元素类型和S2中各元素类型取较大者对齐
 就是max(sizeof(struct S1),sizeof(max_type_of_S2))
 
注释的数字表示偏移量（就是地址）
 
#include<iostream>
#include<vector>
struct S1 {
	char a;// 0
	double b;// 8-15
	short c[2];//16-19,因为double的8比short的2大，引用规则一
	//共24
};
struct S2 {
	struct S1 a;// , 0-23
	int b;//24-27
	char c;//28
	// 最后按S1的最大类型double的8字节对齐，因为double比S2的int和char字节数都大，最后
	//整个S2按照8字节对齐
};
int main() {
	using namespace std;
	cout << sizeof(S1) << " " << sizeof(S2) << endl;
}
 
下面代码把S1中的
 
#include<iostream>
#include<vector>
struct S1 {
	char a;// 0
	int b;// 4-7
	short c;//8-9
	//共12
};
struct S2 {
	struct S1 a;//  0-11，按4字节对齐
	int b;//12-15，S2中S1类型按4字节对齐，int和char中比较大的是int，两个都一样是4字节，所以整个结构按4字节对齐
	char c;//16
	//原来占17字节，但是得按照4字节对齐，所以是20

};
int main() {
	using namespace std;
	cout << sizeof(S1) << " " << sizeof(S2) << endl;
}
 
②其余的对齐规则
 
规则三：static成员放在了静态存储区，不影响sizeof结果！！

结构体对齐方式有以下两种设置方法：
 
1、#pragma pack(n) //n为对齐格式的字节数
 
     #pragma pack()   //取消对齐格式操作
 
举例说明
 
使用#pragma pack(1)以一字节对齐
 
#include <stdio.h>

#pragma pack(1)
typedef struct user_info
{
    int age;
    char sex;
    char name[14];
} user_infos;

int main()
{
    user_infos user;
    printf("%d\n", sizeof(user));
    return 0;
}
#pragma pack()
 
运行后输出为19，char一个字节,int 4个字节,char数组14个字节
 
如果不使用#pragma pack()控制结构体对齐方式，占多少字节呢
 
#include <stdio.h>

typedef struct user_info
{
    int age;
    char sex;
    char name[14];
} user_infos;

int main()
{
    user_infos user;
    printf("%d\n", sizeof(user));
    return 0;
}
 
输出是20
 
2、__attribute__选项
 
     __attribute__((aligned(x)))  让结构体的成员在n字节对齐，但是如果结构体有成员的长度大于x，则按照最大成员的长度来对齐
 
     __attribute__((packed)) 设置后的结构体变量及成员将使用最小的对齐方式，变量以一字节对齐，域是以位对齐
 
举例说明
 
使用__attribute__((aligned(1)))以1字节对齐 
 
#include <stdio.h>

struct user_info
{
    char sex;
    int age;
    char name[14];
}__attribute__((aligned(1)));

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct user_info));
    return 0;
}
 
输出为24,虽然是希望设置以1字节对齐，然而成员中有int变量以及字符数组变量,则按照4字节对齐
 
以__attribute__((packed))使用最小对齐方式
 
#include <stdio.h>

struct user_info
{
    char sex;
    int age;
    char name[14];
} __attribute__((packed));

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct user_info));
    return 0;
}
 
输出为19