结构体对齐为什么那么重要？

嵌入式软件实战派 2023-04-03 1345

嵌入式软件实战派

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描述

C语言结构体对齐问题，是面试必备问题。我参与招聘技术面试的时候，也喜欢问这个技术点。这不是在面试时要装B，也不是要故意难为一下面试者，而是这个知识点比较基础，但很重要。网上搜出来的嵌入式或C语言笔试题，很多都有这种题目，连《程序员面试宝典》也有讲解这种题目。

代码

 结构体对齐知识点考察，俨然成为编程技术岗面试笔试的一种标配。我以前找工作被问这种题的时候就经常想，结构体对齐这个东西平常很少用，考这东西干嘛？为什么结构体对齐那么重要。看看这个例子：
    typedef struct 
    {
        int e_int;
        char e_char1;
        char e_char2;
    }S2;


    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        int e_int;
        char e_char2;
    }S3;
    S2 s2;
    S3 s3;

你觉得这俩结构体所占内存是一样大吗？其实不是！

好像也没什么啊，一不一样大对于C语言程序员有什么所谓！

也许你还还感觉不到，上段代码：

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

对于32位系统，s2的大小为8K，而s3的大小为12K，一放大，就有很明显的区别了。

再举个例子：

unsigned char bytes[10]={0};
int* p = (int*)&bytes[3];
*p = 0x345678;
你觉得执行上面的代码会发生什么情况？Warining？只是Warning么？！ 以前我也没觉得懂得这个结构体对齐或者内存对齐有多重要，直到已经从事了嵌入式开发经验不断积累，才慢慢体会到，这是一种很基础的知识，就因为这个东西不常用，而出现相关的问题是非常致命的，排查起来成本非常高。 有个小伙伴，因为一个内存对齐(结构体对齐相关知识点)问题导致的偶发性Exception问题，折腾了一个多星期。 由于项目接近尾声，出现这种问题，项目经理、老板都操心得不得了。天天不是奶茶水果，就是宵夜，把小伙伴当宝贝来哄，为的就是快速定位这个问题。 然而，他们日以继夜的排查了一个多星期，依然一脸懵逼。 直到让我参与进来支援，我通过仿真方式碰巧捕捉到了这种异常情况。问题的根本原因就是强制类型转换导致的内存对齐问题。篇幅有限，这个故事，以后慢慢细讲。 接下来先看看，结构体对齐的知识点。 结构体对齐，说不难吧，我研究了很多次，都没完全记住；说难吧，理解其原因本质，就易如破竹。结构体对齐，其实其本质就是内存对齐。 什么以最大元素变量为单位，什么最小公倍数等等法则，通通都是让你死记硬背的，没两天就忘了。 为什么要结构体对齐，原因就是内存要对齐，原因是芯片内存的制造限制，是制造成本约束，是内存读取效率要求。 如果你上学的时候认真学习过微机原理，应该还记得，芯片的地址总线和数据总线这个概念吧。没学过微机原理也没关系，8位单片机、16位单片机和32位单片机等等，这些总得听说过吧。

代码

这个8位、16位和32位等，指的是单片机一次处理数据的宽度，也就和数据总线相关了。 细心的小伙伴会知道，16位单片机的通用寄存器例如R0的长度是2个字节的，而32位的是4字节的。 也就是说16位单片机，单指令一次访问数据是2个字节，而32位单片机可以访问4字节。 为了提高MCU的运行效率，内存设计上，进来适应这个CPU的总线访问。以32位MCU为例，其内存一般都是每4字节（32位）为一个小单元，有时候也叫1个字（Word）。代码 注意：字节，这个概念长度是固定的，就是8bit；而字，却不是固定的，跟CPU或系统位数有关，有时候还会出现字、双字这些概念，举例说明下： 32位计算机：1字=32位=4字节，64位计算机：1字=64位=8字节所以，对于C语言的变量的存放和访问，都会按着这单位来，例如32位系统中，char是一个字节的，就按Byte来，int是4字节的，那么按Word来。为什么要这样呢？ 如果，一块内存在地址上随便放的，CPU有可能就会用到多条指令来访问，这就会降低效率。 对于32位系统，如下图的A可能需要2条指令访问，而B只需1条指令。

代码

代码 不仅单片机这样，我们常用的计算机也是这样，你看内存条，长这样的：

代码

你以为，通过总线的方式可以随便访问一个地址吗

代码

但是，为了提高访问速度，其设计是这样的：

代码

代码

这样，这个地址就必须是8的倍数。如果你要从不对齐的内存读取数据，虽然在C语言编程上感觉不到这样的操作有什么区别，但CPU是分开多次读出来的。这就是内存对齐了。int8（即char）是以1字节对齐，int16是以2字节对齐，而int32是以4字节对齐的，等等。（以上案例看不懂？推荐去B站看这个视频：【Golang】这个内存对齐呀！？_哔哩哔哩_bilibili，我上面的图也是参考这个视频的。）世界上CPU平台、系统那么多，我们怎么知道哪个类型到底有多长，是以哪种长度对齐的？

不要瞎猜，直接上代码。每个平台都不一样，请读者自行测试，以下我是基于Windows上MinGW的GCC测的。

#define BASE_TYPE_SIZE(t)   printf("%12s : %2d Byte%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*);
}

结果是：

        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

这些内容不用记住，不同平台是不一样的，使用之前，一定要亲自测试验证下。

这里先解释下“模数”的概念：

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。

接着看网上流传一个表：

平台

长度/模数

char

short

int

long

float

double

long long

long double

Win-32

长度

1

2

4

4

4

8

8

8

模数

1

2

4

4

4

8

8

8

Linux-32

长度

1

2

4

4

4

8

8

12

模数

1

2

4

4

4

4

4

4

Linux-64

长度

1

2

4

8

4

8

8

16

模数

1

2

4

8

4

8

8

16

本文的的例子我用的是MinGW32的GCC来测试，你猜符合上表的哪一项？

别急，再看一个例子：

    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);

结果是：

  s11 size = 16        s11.e_int addr: 0028FF18, offset:  0
  s11 size = 16     s11.e_double addr: 0028FF20, offset:  8

很明显，上表没有一项完全对应得上的。简单汇总以下我测试的结果：

长度/模数

char

short

int

long

float

double

long long

long double

长度

1

2

4

4

4

8

8

12

模数

1

2

4

4

4

8

8

8

所以，再强调一下：因为环境的差异，在你参考使用之前，请自行测试一下。

其实，这个模数是可以改变的，可以用预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

例如

#pragma pack(1)
typedef struct 
{
    char e_char;
    long double e_ld;
}S14;
#pragma pack()
想知道结构图元素内存如何对齐，其实非常简单。其实，你只需知道当前你使用的这个系统的基本类型的sizeof是多少，然后根据这个大小做对齐排布。例如，本文一开始的例子：
    typedef struct 
    {
        int e_int;
        char e_char1;
        char e_char2;
    }S2;


    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        int e_int;
        char e_char2;
    }S3;
    S2 s2;
    S3 s3;

32位系统中，它们内存是这么对齐的：

代码

简单解释下：

S2中的元素e_int是按4字节对齐的，其地址位4整数倍，而e_char1和e_char2就按1字节对齐，紧跟其后面就可以了；

而S3中的元素e_char1是按1字节对齐的，放在最前面，而e_int是按4字节对齐的，其地址位4整数倍，所以，只能找到个+4的位置，紧接着e_char2就按1字节对齐，跟其后面就可以了。

那么sizeof(s2)和sizeof(s3)各是多少怎么算？

也很简单，例如这个32位系统，为了提高执行效率，编译器会让数据访问以4字节为单位的，所以S2里有2个字节留空，即sizeof(s2)=8，而sizeof(s3)=12。

是不是很简单呢！

接着，来个复杂一点的：

    typedef struct 
    {
        char e_char1;
        short e_short;
        char e_char2;
        int e_int;
        char e_char3;
    }S4;
    S4 s4;

其内存分布如下：

代码按上面的方法，也不难理解。e_int是不能从+5位置开始的，因为+5不是int的对齐位置，用int去访问+5位置是效率很低或者有问题的，所以它只能从+8位置开始。再复杂一点的呢？来看看union和struct结合的例子：
    typedef struct
    {
        int e_int1; 
        union
        {
            char ue_chars[9]; 
            int ue_int;
        }u;
        double e_double; 
        int e_int2; 
    }SU2;
    SU2 su2;  
得到：

代码

为什么这样呢？你这样想，要时刻想着CPU访问数据的效率，如果union里的元素类型不一样，那就以最大长度的那个类型对齐了。另外，还有结构体套着结构体的情况了：
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;   

得出结果：

代码

得出结论：结构体内的结构体，结构体内的元素并不会和结构体外的元素合并占一个对齐单元。

只要技术上面的对齐方法，这些都不难理解。如果你非要一些规则的话，我总结成这样：

首先，不推荐记忆这些条条框框的文字，以下内容仅供参考：

  1. 结构体的内存大小，并非其内部元素大小之和；
  2. 结构体变量的起始地址，可以被最大元素基本类型大小或者模数整除；
  3. 结构体的内存对齐，按照其内部最大元素基本类型或者模数大小对齐；
  4. 模数在不同平台值不一样，也可通过#pragma pack(n)方式去改变；
  5. 如果空间地址允许，结构体内部元素会拼凑一起放在同一个对齐空间；
  6. 结构体内有结构体变量元素，其结构体并非展开后再对齐；
  7. union和bitfield变量也遵循结构体内存对齐原则。
其实，这些都没必要去记，多思考多理解就OK了。唯一需要记得是某系统平台下的基本类型的sizeof大小，然后按照对齐原则来就可以了，就是时刻想着CPU要提升数据访问效率的。 更多的案例，很早写在《图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐》这个文章里面了，感兴趣的小伙伴可以研究下。

里面涉及到很多测试源码，如果想要获取的话，可以关注公众号，回复"struct"即可获得下载链接。

 

​审核编辑 ：李倩

 


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