【C++】结构体内存对齐详解

规则

1.第一个成员在结构体变量偏移量为0 的地址处，也就是第一个成员必须从头开始。
2.其他成员的偏移量为对齐数**(该成员的大小与编译器默认的一个对齐数中的较小值)**的整数倍。
3.结构体总大小对最大对齐数（通过最大成员来确定）的整数倍。

所有成员在内存中的位置是按照声明顺序决定的

代码解释

第一个和第三个规则好理解，上代码解释下第二个规则

#include<iostream>
#include<string>
#include<stddef.h>
using namespace std;#pragma pack(8) //修改默认对齐数为8struct A {char a;  char b;double c;
};struct B {char a;double b;char c;
};int main() {cout << "结构体A的大小:" << sizeof(A) << " a偏移-" <<offsetof(A, a) << " b偏移-" << offsetof(A, b) << " c偏移-" << offsetof(A, c) << endl;cout << "结构体B的大小:" << sizeof(B) << " a偏移-" <<offsetof(B, a) << " b偏移-" << offsetof(B, b) << " c偏移-" << offsetof(B, c) << endl;system("pause");
}

在这里插入图片描述

假设我们申请到的内存的初始编号为【000】

结构体A

基于第一个规则，第一个成员a的偏移为0，所以存储在【000】的内存中
成员b是一个char类型，该成员占用1个字节，而此时的编译器对齐数为8，根据规则2, 取两者的较小值就为1，所以成员b的偏移量应该为1的整数倍，所以成员b存储在【001】，偏移量就为1
同理，成员c的偏移量应该是8的整数倍，所以要存储在【008】-【015】，偏移量为8
所以结构体A实际占用了【000】-【015】的内存，大小为16，其中a在【000】，b在【001】，【002】-【007】没有存储数据，c在【008】-【015】

结构体B

成员a的偏移为0，所以存储在【000】的内存中
成员b的对齐数为8，所以要找到下一块以8的整数倍的内存，找到【008】，所以存储在【008 】-【015】的内存中，偏移为8
成员c的对齐数为1，所以存储在【016】，偏移为16
目前来看结构体B实际占用了17个字节，根据规则3，向上取8的整数倍，所以结构体B实际占用了24个字节，【000】-【023】，其中a在【000】，b在【008】-【015】，c在【016】，【001】-【007】和【017】-【023】没有存储内容

刚才是编译器的对齐数比成员数据类型大的情况,我们再看一个编译器对齐数小于成员数据类型的情况

#include<iostream>
#include<string>
#include<stddef.h>
using namespace std;#pragma pack(4) //修改默认对齐数为4struct B
{char a;double b;char c;
};int main()
{B TempData;TempData.a = 'a';TempData.b = 12;TempData.c = 'c';cout << *(&(TempData.a)+12) << endl;system("pause");
}

这次我们修改了编译器的对齐数为4
成员a还是在【000】的位置，偏移为0
成员b是double类型，占用8个字节，编译器的对齐数是4，取二者的较小值就是4，所以b此时要存储在4的整数倍的地址上，【004】-【011】，偏移为4
成员c就存储在成员b之后，【012】
所以结构体b的大小就是16 (8的整数倍)，a在【000】，b在【004】-【011】，c在【012】，【001】-【003】和【013】-【015】没有存储数据

成员数据可以直接根据偏移量来获取到，我们取到a的地址，然后再偏移12个字节就可以获取到c的地址
在这里插入图片描述

看完以上两个示例。内存对齐应该可以理解了，但仔细一想，为什么会有内存对齐，这不纯粹就是浪费空间么，不对齐不是可以节省空间么

内存对齐的原因

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于：为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。所以内存对齐能够提高访问效率。

解释一下性能原因, 现在机器分为32位和64位, 位数也就是CPU的字长, 也就是CPU一次能读取的数据大小, 64位就是8字节, 这里的CPU读取位数你们可以和上面的编译器的对齐位数往一起想

如果没有内存对齐的情况, 我们以下面这个结构体为例, 如果你要读取到b, 那么需要先读取8个字节, 【000】-【007】，这里的【000】存储的是a，【001】-【007】存储的是b的一部分，这时CPU还要再读取一次【008】-【015】，然后把【001】-【008】拼凑为b，这里就读取了两次才获取到b