一、引言：
sizeof是c語言中的一個運算符，用來求某個變量或者類型的長度，CSDN有篇文章介紹sizeof的特點介紹的比較詳細，我寫這篇文章主要是介紹struct的數據成員對齊。C語言的struct成員對齊與操作系統有關，在window與linux上的表現不同，先來看一個例子:
1 #include <stdio.h> 2 typedef struct{ 3 int num1; 4 int num2; 5 double num3; 6 7 }A; 8 typedef struct{ 9 int num1; 10 double num3; 11 int num2; 12 }B; 13 14 int main(void) { 15 printf("A:%d\n",sizeof(A)); 16 printf("B:%d\n",sizeof(B)); 17 return 0; 18 }
二、windows的對齊情況
上面這段程序在windows下執行打印的是：
A:16
B:24
為什么數據成員一樣，只是成員的順序不同，導致結構體所占的空間會不同，這就是數據對齊的原因，為了提高存儲器的訪問效率，避免讀一個成員數據訪問多次存儲器，操作系統對基本數據類型的合法地址做了限制，要求某種類型對象的地址必須是某個值K的整數倍（K=2或4或8）。Windows給出的對齊要求是:任何K（K=2或4或8）字節的基本對象的地址都必須是K的整數倍。在上面的示例中，num1和num2為int占4個字節，num3為double占8了字節，結構體A、B的數據對齊情況分別如下：
上面的是結構體A的對齊情況，下面的是結構體B的對齊情況，圖中的灰色部分為對齊填充部分，不代表有效數據。可以看到A的分布很緊湊，沒有留下空隙，而B中，有兩段空隙，因為數據A不需要填充就能滿足K（這里K=4、8）字節的對象的起始地址是K的整數倍了。而B中，第一個數據成員是num1，大小為四個字節，接下來的是num3，大小為8個字節，num3不能緊接在num1的后面，因為4不是8的整數倍，因此需要填充4個字節，這樣num3的起始地址就在8上，滿足要求，之后的num2接在num3后，起始地址為16。有人會問，為什么B占用的是24個字節，而不是20個字節，從上面的圖中，也看出，用20個字節剛好裝下了num1、num2、num3這三個元素，並且這三個元素都滿足了對齊要求，為什么num2后面還要填充4個字節？事實上，如果只有一個B對象，20字節確實是滿足對齊要求的，但如果我們聲明一個類型為B的數據：B b[3]，每個B對象只用20字節，則其數據偏移情況如下：
可以看到，b[1]的num3的起始地址是28，不滿足8的整數倍的要求，這就是B為什么要24字節的原因，為了所有的數據滿足”任何K（K=2或4或8）字節的基本對象的地址都必須是K的整數倍“的要求，必須是結構體的整體大小必須是最大的K的整數倍。
三、linux的對齊情況
以上是windows的對齊要求，如果在linux上執行前面的示例，輸出A、B所占的字節數都是16。Linux的對齊要求是：2字節類型的數據（如short）的起始地址必須是2的整數倍，而較大（int *,int double ,long）的數據類型的地址必須是4的整數倍。linux的對齊要求比windows寬松，這樣會更加充分的利用存儲空間，但是訪問效率沒有window好。linux下結構體B的對齊情況如下：
這里是針對32位的系統，對於X86-64，linux與windows一樣，要求K字節的數據類型是K的倍數。
以上是對struct的數據對齊的簡單介紹，我想，這個數據對齊可以出兩個面試題，一個是已知道結構體定義，求成員的起始地址和結構體大小；另一個是，已知結構體定義，如何排列成員變量的順序，使得整個結構體占有的存儲空間最小。
四、計算結構體的大小和各個成員的起始地址
這個題目是比較簡單的，只要把對齊要求理解了，我們只前往后處理每一個變量，只要當前放入的變量滿足對齊要求，然后遞歸求后門的變量，直接上代碼了：
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #define MAX 100 char *vars[MAX];//保存變量名 int lens[MAX];//保存變量的字節長度 int start[MAX];//保存變量的起始地址 int ALIGN; /*********掃描成員變量和長度，每一組輸入由變量名和長度組成**********/ int scanfStruct(){ char var[20],*p; int len; int index = 0; printf(">>"); while(scanf("%s %d",var,&len) && var[0] != '$'){ p = (char *)malloc(strlen(var)); strcpy(p,var); vars[index] = p; lens[index] = len; printf(">>"); // printf("%s:%d\n>>",vars[index],lens[index]); index ++; } return index; } /*********計算linux的對齊長度*********/ int getLinuxAlign(int *lens, int n){ int i=0; int align = 1; for(i = 0;i< n;i++){ if(align < 2 && *(lens +i) == 2) align = 2; if(align <4 && *(lens +i) >= 4) align = 4; } return align; } /*********計算windows的對齊長度*********/ int getWindowsAlign(int *lens, int n){ int i=0; int align = 1; for(i = 0;i< n;i++){ if(align < 2 && *(lens +i) == 2) align = 2; if(align <4 && *(lens +i) == 4) align = 4; if(align <8 && *(lens +i) == 8) align = 8; } return align; } /****** 遞歸計算各個變量的數據偏移以及結構體大小 i表示正在處理第i個變量，curAddr表示當前地址 size表示結構體的大小，n表示變量個個數 ******/ void getStart(int i,int *curAddr, int *size, int n){ if(i >= n) return; start[i] = *curAddr;//第i個變量的首地址為當前地址 *curAddr += lens[i]; *size += lens[i]; if( *curAddr % ALIGN ==0)//當前地址能被對齊長度整除，直接遞歸處理下一個變量 getStart(i+1,curAddr,size,n); else{//當前地址不能被對齊長度整除 int blank = ALIGN - (*curAddr % ALIGN);//需要填充的大小 if(i == n-1){//已經是最后一個變量，只需將結構體大小擴充一下 *size += blank; return; }else if(lens[i+1] > blank){//下一個變量的大小大於填充大小，填充后，遞歸處理下一個變量 *curAddr += blank; *size += blank; getStart(i+1,curAddr,size,n); }else{ i++; while(lens[i] <= blank){//只要下一個變量的大小小於填空空白大小 start[i] = *curAddr; *curAddr += lens[i]; *size += lens[i]; blank = ALIGN -(*curAddr % ALIGN); if(i == n-1){ *size += blank; return ; } i++; } getStart(i,curAddr,size,n); } } } void printStart(int n){ int i=0; for(i=0; i<n; i++) printf("%s(%d):%d\n",vars[i],lens[i],start[i]); } int main(){ int n; int curAddr = 0; int size = 0; n = scanfStruct(); //ALIGN = getLinuxAlign(lens,n); ALIGN = getWindowsAlign(lens,n); getStart(0,&curAddr,&size,n); printf("align:%d\n",ALIGN); printf("\nsize:%d\n",size); printStart(n); return 0; }
五、排列成員順序，使得結構體占有存儲空間最小
這個題目更有意思，我這里暫時不貼，有想法的歡迎回復。
感謝閱讀，歡迎回復！
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