C++结构体字节对齐和共用体大小

2024-04-02 19:55

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1、结构体内存对齐

结构体内存对齐在笔试和面试中经常被问到，所以做个总结

通过代码验证不同结构体的内存大小：


#include <stdio.h>
struct Node1{
    char c1;
    int val1;
    char c2;
};
struct Node2{
    char c1;
    char c2;
    int val1;
};
struct Node3{
    char c1;
    char array[10];
};
struct Node4{
    char val1;
    int arrar[10];
};
int main(){
    printf("Node1 size = %d\n",sizeof(struct Node1));
    printf("Node2 size = %d\n",sizeof(struct Node2));
    printf("Node3 size = %d\n",sizeof(struct Node3));
    printf("Node4 size = %d\n",sizeof(struct Node4));

    return 0;
}

代码运行结果为：

通过上述代码运行结果可以发现Node1和Node2定义了相同个数的变量，但是Node1的大小为12，Node2的大小为8，这是为什么呢？

这里首先明确两个概念：对齐数和最大对齐数，在结构体中对齐数就是每个成员类型的大小，如Node1中，对齐数为{1，4，1}，在数组中，对齐数不是数组的大小，而是数组成员的大小，所以Node3的对齐数为{1，1}，Node4的对齐数为{1，4}。最大对齐数是对齐数中的最大值（gcc编译器），最大对齐数可能受编译器的影响，通常编译器会有编译器对齐数，最大对齐数应该是编译器对齐数和结构体最大对齐数中较小值，如VS编译器对齐数为8，如果结构体的最大对齐数为16，那么计算结构体的最大对齐数应该为8。我的编译器为gcc，所以最大对齐数为结构体对齐数中的最大值。

知道最大对齐数后，就可以计算结构体的大小了，需要明确结构体的大小一定是最大对齐数的整数倍。那么Node1和Node2的成员类型是一样的，为什么Node1的大小为12字节，Node2的大小为8字节呢。这是因为结构体内存的连续性，在存储容量没有到最大对齐数的内存大小时，只要能够保存这个成员，结构体就会将该成员变量保存在一个最大对齐树的内存空间内。这样就避免了内存的过度浪费。

所以，上述各结构体的内存大小计算方式如下：

sizeof（Node1）= 1 + 3（浪费）+ 4 + 1 + 3（浪费） = 12
sizeof（Node2）= 1 + 1 + 2（浪费）+ 4 = 8
sizeof（Node3） = 1 + 1 * 10 = 11
sizeof（Node4） = 1 + 3（浪费）+ 4 * 10 = 44

那么结构体嵌套结构体的大小应该怎么计算呢？举以下例子：


#include <stdio.h>
struct Node1{
    char c1;
    int val1;
    char c2;
};
struct Node2{
    char c1;
    struct Node1 node;
    double val1;
};

int main(){
    printf("Node1 size = %d\n",sizeof(struct Node1));
    printf("Node2 size = %d\n",sizeof(struct Node2));
    return 0;
}

代码运行的结果为：

可以明确，嵌套结构体的对齐数为所嵌套结构体的最大对齐数，所以Node1的对齐数为{1，4，1}，Node2的对齐数为{1，4，8}，最大对齐数分别为4和8，则代码里两个结构体的大小计算方式为：

sizeof（Node1）= 1 + 3（浪费）+ 4 + 1 + 3（浪费） = 12
sizeof（Node2）= 1 + 7（浪费）+ 12 + 4（浪费）+ 8 = 24

2、共用体的内存大小

对于以下共用体，读取它大小的代码如下：


#include <stdio.h>

union un1{
    int val;
    char c;
    double d;
};
union un2{
    int val;
    char array[5];
};

int main(){
    printf("un1 size = %d\n",sizeof(union un1));
    printf("un2 size = %d\n",sizeof(union un2));
    return 0;
}

代码运行结果为：

共用体之所以叫共用体，就是因为它的成员变量共享内存，既然共享内存，那么共用体占用的内存空间一定要可以保存内存最大的成员类型，而un1的最大内存成员为double型，大小为8字节，所以un1的大小为8字节，那么un2的内存大小为什么不是5呢？这是因为要内存对齐，共用体也遵循内存对齐原则，un2的最大对齐数是4，因此un2的大小应该是4的整数倍数，所以，sizeof（un2）= 8.

3、枚举的大小

这里顺带提一下枚举的内存大小，代码验证如下：


#include <stdio.h>

enum Colour {
    RED,
    GREEN,
    BLUE
};
enum ProgramLanguage {
    python = 0xffffffffff,
    c = 8,
    java
};

int main()
{
    printf("Colour size = %d\n",sizeof(enum Colour));
    printf("ProgramLanguage size = %d\n",sizeof(enum ProgramLanguage));
    return 0;
}

代码运行结果为：