c语言结构体字节对齐详解

Posted 2021-05-15 cpp加油站

1.什么是字节对齐

在c语言的结构体里面一般会按照某种规则去进行字节对齐。

我们先看一段代码：

struct st1
{
	char name;
	double age;
	char sex;
};
//32位下 sizeof(struct st1) = 16
//64位下 sizeof(struct st1) = 24
struct st2
{
	char a;
	char b;
	char c;
};
//32位和64位下, sizeof(struct st2)都是3个字节

从以上结果可以看出，结构体st1在32位下是按照4个字节来对齐的，在64位下则是按照8个字节来对齐的，结构体st2则不管32位还是64位则都是按照1个字节对齐的。

那么我们可以总结出对齐规则如下：

• 在所有结构体成员的字节长度都没有超出操作系统基本字节单位(32位操作系统是4,64位操作系统是8)的情况下，按照结构体中字节最大的变量长度来对齐；
• 若结构体中某个变量字节超出操作系统基本字节单位，那么就按照系统字节单位来对齐。

注意：并不是32位就直接按照4个字节对齐，64位按照8个字节对齐。

2.为什么要有字节对齐

首先普及一点小知识，cpu一次能读取多少内存要看数据总线是多少位，如果是16位，则一次只能读取2个字节，如果是32位，则可以读取4个字节，并且cpu不能跨内存区间访问。

假设有这样一个结构体如下：

struct st3
{
    char a;
    int b;
};
//那么根据我们第1节所说的规则，在32位系统下，它就应该是8个字节的。

假设地址空间是类似下面这样的：

在没有字节对齐的情况下，变量a就是占用了0x00000001这一个字节，而变量b则是占用了0x00000002~0x000000005这四个字节，那么cpu如果想从内存中读取变量b，首先要从变量b的开始地址0x00000002读到0x0000004，然后再读取一次0x00000005这个字节，相当于读一个int，cpu从内存读取了两次。

而如果进行字节对齐的话，变量a还是占用了0x00000001这一个字节，而变量b则是占用了0x00000005~0x00000008这四个字节，那么cpu要读取变量b的话，就直接一次性从0x00000005读到0x00000008，就一次全部读取出来了。

所以说，字节对齐的根本原因其实在于cpu读取内存的效率问题，对齐以后，cpu读取内存的效率会更快。但是这里有个问题，就是对齐的时候0x00000002~0x00000004这三个字节是浪费的，所以字节对齐实际上也有那么点以空间换时间的意思，具体写代码的时候怎么选择，其实是看个人的。

3.手动设置对齐

什么情况下需要手动设置对齐:

• 设计不同CPU下的通信协议，比如两台服务器之间进行网络通信，共用一个结构体时，需要手动设置对齐规则，确保两边结构体长度一直;

• 编写硬件驱动程序时寄存器的结构;

手动设置对齐方式有两种：

• 代码里添加预编译标识:

//用法如下
#pragma pack(n)//表示它后面的代码都按照n个字节对齐
struct st3
{
    char a;
    int b;
};
#pragma pack()//取消按照n个字节对齐，是对#pragma pack(n)的一个反向操作
//这里计算sizeof(st3)=5

上面这两行其实就类似于开车的时候，走到某一段路的时候，发现一个限速60公里的指示牌，过了那一段路以后，又会有解除限速60公里的指示牌。

• 定义结构体时:

//用法如下
struct bbb
{
   char a;
   int b;
}__attribute__((packed));//直接按照实际占用字节来对齐，其实就是相当于按照1个字节对齐了
//这里计算sizeof(st3)=5

4.结构体比较方法

可以使用内存比较函数memcpy进行结构体比较，但因为结构体对齐可能会有填充位不一致的情况，此时需要注意：

1. 设置为1个字节对齐，使它没有空位；

2. 事先对结构体进行初始化；

memcpy(char *dest, const char* src, int len); //头文件#include<string.h>