计算结构体的大小-数据对齐提高读取性能与可移植性，利用空间换时间

Posted 2021-12-05 Linux bsping

        大家学习C语言的时候基本都遇到过求结构体大小的问题吧，刚刚开始肯定都想着直接把结构体的各个因子相加起来就好了，但是这样确实是错误的，虽然有时候结果是对的。想得到结构体的大小可以使用sizeof（）这个函数，当然也可以自己进行计算，下面就分享一下我的方法。

一、数据对齐

        首先我们先了解一下什么是数据对齐，在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然边界分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。为了使CPU能够对变量进行快速的访问,变量的起始地址应该具有某些特性,即所谓的”对齐”. 比如4字节的int型,其起始地址应该位于4字节的边界上,即起始地址能够被4整除。CPU在读取结构体的数据时会以固定的位数进行读取，当然这个位数我们用户可以改变。以下举例说明：

struct test
{
    char x1;
    short x2;
    float x3;
    char x4;
};

  

        结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然边界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大边界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

二、为什么要数据对齐

        各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。如下图：

 三、同一个结构体，顺序不同大小可能也不同

        

struct A
{
        int a;
        char b;
        short c;
};
struct B
{
        char b;
        int a;
        short c;
};

经计算A的大小是8字节，B的大小是12字节。为什么呢，根据图解就可以知道：

 

        所以以后写结构体尽量把小数据靠前写。

四、数据对齐的一些特点

1、结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

2、结构体大小为其成员中自身对齐值最大的那个值的整数倍。

3、数据类型自身的对齐值：char自身对齐值为1，对于short型为2，int,float,double类型自身对齐值为4单位字节。

以上有自己的一些观点，如果有错误请批评指正。