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【程序猿面试题——计算机基础知识和编程】C++结构体的内存对齐是怎么样的？

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前言

C++ 结构体的内存对齐

在 C++ 中，结构体（struct）的内存布局是由 内存对齐（memory alignment）规则决定的。

内存对齐是指编译器为了提高访问效率，会按照一定的规则来安排结构体成员在内存中的位置，使得成员的地址满足一定的对齐要求。

1. 内存对齐的基本概念

内存对齐的基本目的是为了提高 CPU 存取内存的效率。许多处理器要求数据的访问地址必须是某些特定字节边界的整数倍（例如 4 字节、8 字节等），否则会导致效率低下或者直接出错。

为了满足这一要求，编译器会根据结构体成员类型的大小和对齐要求，对它们进行适当的排列。

2. 对齐规则

1. 每个成员的对齐要求：结构体成员的对齐要求通常是其类型大小的倍数。例如，int 类型通常要求 4 字节对齐，double 类型通常要求 8 字节对齐。
2. 结构体整体对齐要求：结构体的对齐要求是其最大成员对齐要求的倍数。即，结构体的总对齐大小将是其成员中对齐要求最大的成员的对齐要求的倍数。
3. 填充字节：为了满足对齐要求，编译器可能会在结构体成员之间或结构体的末尾插入填充字节。这些填充字节不会被程序直接使用，但会占用内存。

3. 内存对齐示例

假设我们有如下结构体：

#include <iostream>struct MyStruct {char a;      // 1 字节int b;       // 4 字节char c;      // 1 字节
};

在某些系统中，char 通常是 1 字节对齐，int 通常是 4 字节对齐。让我们来看下这个结构体的内存布局：

1. char a：a 占 1 字节，存储在结构体的起始位置。
2. int b：为了满足 int 类型的 4 字节对齐要求，b 必须从一个 4 字节对齐的地址开始。即便 a 后面只有 1 字节，编译器会插入 3 字节的填充字节。
3. char c：c 占 1 字节，存储在 b 后面。

因此，MyStruct 结构体的内存布局可能是如下所示（假设每行表示 1 字节）：

|  a  |  padding |  padding |  padding |  b  |  c  |1    2          3          4          5     6

• 在这个例子中，结构体的大小是 12 字节，即使 a 和 c 只占用了 2 字节，b 需要对齐到 4 字节边界，导致总大小为 12 字节。

4. 结构体对齐的实际例子

#include <iostream>struct MyStruct {char a;      // 1 字节double b;    // 8 字节char c;      // 1 字节
};int main() {std::cout << "Size of MyStruct: " << sizeof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

• 假设 char 类型是 1 字节对齐，double 类型是 8 字节对齐，运行结果可能是：

Size of MyStruct: 16

解释：

• char a 占 1 字节。
• double b 占 8 字节，但由于对齐要求为 8 字节，b 需要从 8 字节的地址开始，因此编译器会插入 7 字节填充。
• char c 占 1 字节，紧接在 b 后面。

结果，结构体的总大小为 16 字节。

5. 控制内存对齐

C++ 提供了控制结构体成员对齐的机制。常用的方法有：

• #pragma pack（编译器指令）：可以指定结构体的对齐方式。例如，使用 #pragma pack(1) 可以让所有成员都按照 1 字节对齐（会取消默认对齐规则，可能导致性能下降）。

#pragma pack(1)
struct MyStruct {char a;int b;
};

• alignas 关键字：C++11 引入了 alignas 关键字，可以指定某个成员或结构体的对齐方式。例如：

#include <iostream>
#include <cstddef>struct alignas(8) MyStruct {char a;  // 1 字节int b;   // 4 字节
};int main() {std::cout << "Alignment of MyStruct: " << alignof(MyStruct) << std::endl;std::cout << "Size of MyStruct: " << sizeof(MyStruct) << std::endl;return 0;
}

6. 总结

• 内存对齐：编译器根据平台和数据类型的对齐要求，将结构体成员安置在合适的内 存地址上，确保每个成员的地址符合其类型的对齐要求。
• 填充字节：为了满足对齐要求，编译器可能会在结构体成员之间插入填充字节。
• 结构体对齐：结构体的整体对齐要求通常是最大成员对齐要求的倍数。
• 影响结构体大小：内存对齐可能导致结构体的实际大小大于成员大小之和。

结构体内存对齐在编程中非常重要，特别是在涉及到高效内存访问或与硬件交互时（例如操作系统、嵌入式开发等）。

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