C语言结构体：内存布局与对齐

一、结构体类型定义

二、结构体变量的创建和初始化

三、内存对齐 (Memory Alignment)

对齐规则:

举例说明 (假设 int 为 4 字节，char 为 1 字节，double 为 8 字节):

四、影响和优化

总结:

C语言结构体：内存布局与对齐

C语言结构体 (struct) 是一种用户自定义的数据类型，它允许将不同类型的数据组合成一个整体。理解结构体的内存布局，特别是内存对齐，对于编写高效、可移植的代码至关重要。

一、结构体类型定义

结构体类型的定义使用 struct 关键字，其基本语法如下：

struct 结构体名 
{数据类型 成员名1;数据类型 成员名2;...数据类型 成员名n;
};

例如：

struct Student 
{char name[20];int age;float score;
};

这定义了一个名为 Student 的结构体类型，包含三个成员：姓名（字符数组）、年龄（整数）和分数（浮点数）。

二、结构体变量的创建和初始化

创建结构体变量的方法有两种：

声明时初始化:

struct Student student1 = {"Alice", 18, 85.5};

声明后初始化:

struct Student student2;
student2.name = "Bob";
student2.age = 20;
student2.score = 92.0;

三、内存对齐 (Memory Alignment)

结构体成员在内存中并非紧密排列，而是按照一定的规则进行对齐。对齐的目的是为了提高访问效率。处理器通常更有效地访问特定对齐方式的数据（例如，32位整数通常需要4字节对齐）。

对齐规则:

成员对齐: 每个成员的起始地址必须是其自身大小的整数倍。例如，int 类型通常是 4 字节对齐，double 类型通常是 8 字节对齐。
结构体对齐: 结构体的总大小通常是其最大成员大小的整数倍。
编译器控制: 编译器通常允许通过编译选项控制对齐方式。

举例说明 (假设 `int` 为 4 字节，`char` 为 1 字节，`double` 为 8 字节):

例子1:

struct Example1 
{char a;int b;double c;
};

内存布局图示：

+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
|   a   |       |       |   b   |       |       |       |   c   |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+0     1     2     3     4     5     6     7     8     9    10   11   12   13  14  15

a 占用 1 字节，b 需要 4 字节对齐，所以 b 从地址 4 开始。c 需要 8 字节对齐，所以 c 从地址 8 开始。总大小为 16 字节 (8的倍数)。

例子2:

struct Example2 
{int b;char a;double c;
};

内存布局图示：

+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
|   b   |       |       |   a   |       |       |       |   c   |
+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+0     1     2     3     4     5     6     7     8     9    10   11   12   13  14  15

b 占用 4 字节，a 占用 1 字节，c 需要 8 字节对齐，所以 c 从地址 8 开始。总大小为 16 字节 (8的倍数)。

例子3 (添加填充):

struct Example3 
{char a;int b;char d;
};

内存布局图示：

+-------+-------+-------+-------+-------+
|   a   |  pad  |  pad  |  pad  |   b   |
+-------+-------+-------+-------+-------+
|   d   |       |       |       |       |
+-------+-------+-------+-------+-------+0     1     2     3     4     5     6     7

a 占用 1 字节，b 需要 4 字节对齐，所以插入 3 字节填充 (pad)。d 占用 1 字节，因为b占用了4个字节，d不需要额外填充，总大小为 8 字节 (4的倍数)。