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今天給大家帶來一道經典、易錯的關于C語言結構體內存對齊的題目：

求32bit環境下以下結構體所占的字節數：
typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

請說出你的答案：

?

下面看一下實際測試情況：

1、測試代碼：

/***********************************
?*?公眾號：嵌入式大雜燴
***********************************/
#include?

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

int?main(void)
{
?test_struct?test_s;??

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

?return?0;
}

2、運行結果

?

在32bit環境中，該結構體所占的字節數為16。答對了嗎？

運行結果打印輸出了很多重要的信息，從結果往前分析思路應該很清晰了吧？

下面我們一起來分析分析：

3、分析

在分析這個問題之前，我們先記住關于結構體內存對齊的三條原則：

（1）結構體變量的起始地址能夠被其最寬的成員大小整除。

（2）結構體每個成員相對于起始地址的偏移能夠被其自身大小整除，如果不能則在前一個成員后面補充字節。

（3）結構體總體大小能夠被最寬的成員的大小整除，如不能則在后面補充字節。

分析這個問題我們就不考慮編譯器可以指定對齊大小的情況了。在32bit環境中，一般默認的對齊大小是4。

下面我們根據這三條原則來分析，并得出如下示意圖：

?

從這張圖中我們應該可以很清晰地看出整個結構體變量的內存占用情況。

如果還看不明白的朋友可閱讀下面的解釋（有點啰嗦，已經看明白的就不用看了~）：

從上例的結果中，我們結構體變量test_s的起始地址為0x0028ff30，能夠被其最寬的成員（int類型的d成員，占4個字節）整除，符合第（1）條原則。

a成員的地址即為結構體變量的起始地址0x0028ff30，排在a后面的是short類型（兩個字節）的b成員。

根據第（2）條規則，顯然b的地址不能從0x0028ff31開始，則編譯器會在b成員的前一個成員（a成員）后邊補1個空白字節，即b的的地址為從0x0028ff32，符合規則（2）。

b成員占兩個字節，兩個字節之后的地址為0x0028ff34，而c成員為char類型（1字節），則根據規則（2），c成員會存放至地址0x0028ff34處。

c成員占1個字節，1個字節之后的地址為0x0028ff35，排在c后面的是int類型（4個字節）的d成員，顯然不能滿足規則（2）。

編譯器會在d成員的前一個成員（c成員）后面進行字節填充，這里必須填充3個字節才能符合規則（2），此時d會存放至地址0x0028ff38處。

d成員占4個字節，4個字節之后的地址為0x0028ff3c。根據規則（2），e成員可從該地址開始存放。

此時a+空白字節+b+c+空白字節+d+e所占的字節總數為13個字節，而結構體最寬的成員（int類型的d成員）所占字節數為4字節。

顯然不能滿足規則（3），編譯器會在e成員后面填充3個字節。即整個結構體變量test_s所占的總字節數為16字節。

4、實際應用

（1）用保留變量替代填充字節

實際應用中我們可以上面的結構體變量改為：

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?char?reserve0;????/*?保留成員?*/
?short?b;?????
?char?c;?????
?int?d;
?char?e;
?char?reserve1[3];?/*?保留成員?*/
}test_struct;

我們已經知道了編譯器會自動給我們的結構體變量填充一些空白字節，這些填充字節我們是看不到的，是隱性的。

在結構體變量占用相同內存的情況下，我們可以顯性的表示出這些填充字節，即創建一些保留成員。

這樣當我們需要給這個結構體添加一些成員時，我們可以把保留的成員替換為實際的成員。這樣在一定程度下有利于我們節省內存空間。

（2）調整結構體成員的位置

從上面的分析中我們知道編譯器會根據我們結構體成員的排列來進行空白字節填充以達到對齊的效果。

那么我們自己進行手動對齊一些成員，那就可以節省一些空間了。比如把上面的我們的test_struct結構體成員的順序改為：

typedef?struct?test_struct
{
?char?a;??
?char?c;?
?short?b;?????????
?int?d;
?char?e;
}test_struct;

則結構體變量test_s所占的字節數變為12字節，即：

?

即比原來的16字節省下了4個字節。

雖然這點優化對于一般的嵌入式應用來說可能沒什么必要，但是萬一某一天真的需要在某些資源極其受限的嵌入式設備中開發應用，這就是可以優化的一點。

最后

以上就是本次的實驗分享。如有錯誤，歡迎指出！謝謝

這道結構體內存對齊的題目很經典、也很容易出錯，是嵌入式C語言筆試、面試題中的高頻題目，很有必要弄清楚。
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