嵌入式 C 结构体内存对齐

Posted 2022-04-09 嵌入式大杂烩

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了嵌入式 C 结构体内存对齐相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

大家好，我是杂烩君。

明天放假了，祝各位假期愉快！

今天给大家带来一道经典、易错的关于C语言结构体内存对齐的题目：

求32bit环境下以下结构体所占的字节数：
typedef struct test_struct

 char a;  
 short b;     
 char c;     
 int d;
 char e;
test_struct;

请说出你的答案：

下面看一下实际测试情况：

1、测试代码：

/***********************************
 * 公众号：嵌入式大杂烩
***********************************/
#include <stdio.h>

typedef struct test_struct

 char a;  
 short b;     
 char c;     
 int d;
 char e;
test_struct;

int main(void)

 test_struct test_s;  

 printf("\\n============================================\\n");
 printf("test_s addr   = %#.8x\\n", &test_s);
 printf("test_s.a addr = %#.8x\\n", &test_s.a);
 printf("test_s.b addr = %#.8x\\n", &test_s.b);
 printf("test_s.c addr = %#.8x\\n", &test_s.c);
 printf("test_s.d addr = %#.8x\\n", &test_s.d);
 printf("test_s.e addr = %#.8x\\n", &test_s.e);
 printf("sizeof(test_s) = %d\\n", sizeof(test_s));
 printf("============================================\\n");

 return 0;

2、运行结果

在32bit环境中，该结构体所占的字节数为16。答对了吗？

运行结果打印输出了很多重要的信息，从结果往前分析思路应该很清晰了吧？

下面我们一起来分析分析：

3、分析

在分析这个问题之前，我们先记住关于结构体内存对齐的三条原则：

（1）结构体变量的起始地址能够被其最宽的成员大小整除。

（2）结构体每个成员相对于起始地址的偏移能够被其自身大小整除，如果不能则在前一个成员后面补充字节。

（3）结构体总体大小能够被最宽的成员的大小整除，如不能则在后面补充字节。

分析这个问题我们就不考虑编译器可以指定对齐大小的情况了。在32bit环境中，一般默认的对齐大小是4。

下面我们根据这三条原则来分析，并得出如下示意图：

从这张图中我们应该可以很清晰地看出整个结构体变量的内存占用情况。

如果还看不明白的朋友可阅读下面的解释（有点啰嗦，已经看明白的就不用看了~）：

从上例的结果中，我们结构体变量test_s的起始地址为0x0028ff30，能够被其最宽的成员（int类型的d成员，占4个字节）整除，符合第（1）条原则。

a成员的地址即为结构体变量的起始地址0x0028ff30，排在a后面的是short类型（两个字节）的b成员。

根据第（2）条规则，显然b的地址不能从0x0028ff31开始，则编译器会在b成员的前一个成员（a成员）后边补1个空白字节，即b的的地址为从0x0028ff32，符合规则（2）。

b成员占两个字节，两个字节之后的地址为0x0028ff34，而c成员为char类型（1字节），则根据规则（2），c成员会存放至地址0x0028ff34处。

c成员占1个字节，1个字节之后的地址为0x0028ff35，排在c后面的是int类型（4个字节）的d成员，显然不能满足规则（2）。

编译器会在d成员的前一个成员（c成员）后面进行字节填充，这里必须填充3个字节才能符合规则（2），此时d会存放至地址0x0028ff38处。

d成员占4个字节，4个字节之后的地址为0x0028ff3c。根据规则（2），e成员可从该地址开始存放。

此时a+空白字节+b+c+空白字节+d+e所占的字节总数为13个字节，而结构体最宽的成员（int类型的d成员）所占字节数为4字节。

显然不能满足规则（3），编译器会在e成员后面填充3个字节。即整个结构体变量test_s所占的总字节数为16字节。

4、实际应用

（1）用保留变量替代填充字节

实际应用中我们可以上面的结构体变量改为：

typedef struct test_struct

 char a;  
 char reserve0;    /* 保留成员 */
 short b;     
 char c;     
 int d;
 char e;
 char reserve1[3]; /* 保留成员 */
test_struct;

我们已经知道了编译器会自动给我们的结构体变量填充一些空白字节，这些填充字节我们是看不到的，是隐性的。

在结构体变量占用相同内存的情况下，我们可以显性的表示出这些填充字节，即创建一些保留成员。

这样当我们需要给这个结构体添加一些成员时，我们可以把保留的成员替换为实际的成员。这样在一定程度下有利于我们节省内存空间。

（2）调整结构体成员的位置

从上面的分析中我们知道编译器会根据我们结构体成员的排列来进行空白字节填充以达到对齐的效果。

那么我们自己进行手动对齐一些成员，那就可以节省一些空间了。比如把上面的我们的test_struct结构体成员的顺序改为：

typedef struct test_struct

 char a;  
 char c; 
 short b;         
 int d;
 char e;
test_struct;

则结构体变量test_s所占的字节数变为12字节，即：

即比原来的16字节省下了4个字节。

虽然这点优化对于一般的嵌入式应用来说可能没什么必要，但是万一某一天真的需要在某些资源极其受限的嵌入式设备中开发应用，这就是可以优化的一点。

最后

以上就是本次的实验分享。如有错误，欢迎指出！谢谢

这道结构体内存对齐的题目很经典、也很容易出错，是嵌入式C语言笔试、面试题中的高频题目，很有必要弄清楚。