結構體內存對齊規則詳解

一、對齊規則簡介

在計算機存儲中，為了更加高效地利用內存，系統中的變數存儲並不是隨意進行的，而是要遵循特定的對齊規則。對齊規則指定了變數存儲在內存中的起始地址必須是特定倍數的地址，這個倍數稱為對齊值。常見的對齊值包括 1、2、4、8 等。

在結構體中，對齊規則同樣適用，結構體存儲內存的起始地址必須是結構體中佔用空間最大的成員大小的倍數。

二、對齊規則的好處

對齊規則的實際目的是使得變數存儲更加高效。使用對齊規則可以減少內存碎片的產生，而不使用對齊規則則可能會導致內存碎片的產生。

內存碎片是指內存中存在一些不連續的空間，這樣使用內存時就需要分配多個不連續的內存塊，導致內存利用率下降，而使用對齊規則可以減少內存碎片的產生，提高內存利用率。

三、對齊規則的實現

對齊規則的實現是通過在變數存儲時添加一些額外的位元組來實現的，這些位元組稱為補齊位元組。補齊位元組的數量由對齊值和變數的大小決定。

下面是一個簡單的例子，假設我們有這樣一個結構體：

“`
struct MyStruct {
char a;
int b;
char c;
};
“`

其中 `char` 類型佔用一個位元組，`int` 類型佔用四個位元組。為了保證對齊，我們需要在變數存儲時添加一些額外的位元組，調整結構體內存的布局，如下圖所示：

“`
struct MyStruct {
char a;
char _pad[3];
int b;
char c;
};
“`

在這個例子中，變數 `a` 和 `b` 分別是 1 位元組和 4 位元組，它們的對齊值是 1 和 4，因此對齊值為 4，結構體中內存對齊的起始地址就必須是 4 的倍數。為了滿足這個要求，我們需要在變數 `a` 後面補齊 3 個位元組，使得變數 `b` 存儲的起始地址是 4 的倍數。

四、對齊規則的影響

對齊規則的實現會產生一些影響，下面我們介紹一下結構體內存對齊規則可能產生的影響。

1. 結構體大小

對齊規則會影響結構體的大小。一般來說，結構體的大小是其成員佔用空間之和，但由於結構體內存對齊規則的存在，可能會出現一些額外的空間，因此結構體的大小並不等於其成員佔用空間之和。

下面我們還是以剛才的結構體為例，計算一下其大小：

“`
struct MyStruct {
char a;
char _pad[3];
int b;
char c;
};
“`

由於 `a` 佔用 1 個位元組，`b` 佔用 4 個位元組，`c` 佔用 1 個位元組，因此結構體的大小應該是 6 個位元組。但是我們添加了 3 個位元組的補齊，因此實際上結構體的大小是 12 個位元組。

2. 訪問速度

對齊規則還會影響結構體訪問的速度。如果結構體成員沒有按照對齊規則進行排列，那麼訪問這個成員的速度將會變慢。

五、代碼示例

下面是一個代碼示例，演示了結構體內存對齊規則的基本用法：

“`
#include
#include
#include
#include
#include

struct MyStruct {
char a;
char _pad[3];
int b;
char c;
};

int main() {
printf(“sizeof(MyStruct) = %zu\n”, sizeof(struct MyStruct));
struct MyStruct s;
s.a = ‘a’;
s.b = 0x12345678;
s.c = ‘c’;
printf(“&s = %p\n”, &s);
printf(“&s.a = %p, s.a = %c\n”, &(s.a), s.a);
printf(“&s.b = %p, s.b = 0x%x\n”, &(s.b), s.b);
printf(“&s.c = %p, s.c = %c\n”, &(s.c), s.c);
return 0;
}
“`

運行結果如下：

“`
sizeof(MyStruct) = 12
&s = 0x7ffe8442dcbf
&s.a = 0x7ffe8442dcbf, s.a = a
&s.b = 0x7ffe8442dcc0, s.b = 0x12345678
&s.c = 0x7ffe8442dcc4, s.c = c
“`