理解结构体内存对齐并算清楚结构体大小，结构体对齐的意义在哪？

结构体对齐

1. 为什么存在结构体对齐呢？

结构体内存对齐的原因：

1.平台原因（移植原因）：        

2.效率原因： 

2. 结构体对齐规则

 重点来了，知道了这些规则后，具体要怎么算一个结构体的大小呢？

结构体嵌套

结构体对齐的意义：

---

1. 为什么存在结构体对齐呢？

结构体内存对齐的原因：

1.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；某些硬件平台只能在某些特定地址处取某些特定的数据，否则就会抛出硬件异常。也就是说在计算机在内存读取数据时，只能在规定的地址处读数据，而不是内存中任意地址都是可以读取的。

2.效率原因： 

        正是由于只能在特定的地址处读取数据，所以在访问一些数据时，对于访问未对齐的内存，处理器需要进行两次访问；而对于对齐的内存，只需要访问一次就可以。 其实这是一种以空间换时间的做法，但这种做法是值得的。

2. 结构体对齐规则

        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.其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。对齐数为编译器默认的一个
对齐数与该成员大小中的较小值。在64位编译器中默认值是8 ，可以在代码前通过#pragmapack (N)修改,使用#pragma pack(show)可以查看对齐值，但修改时N的取值只能设置成（1，2，4，8，16）这几个值
        3.结构体总大小为最大对齐数的整数倍。(每个成员变量都有自己的对齐数)
        4.如果嵌套结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是
所有最大对齐数（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

        不同位的编译器不同类型所占字节不一样，如下图所示。注：以下数据类型对应表供参考，绝大部分是对应的，但具体大小以所用编译器为准！

但都会满足如下条件：

 重点来了，知道了这些规则后，具体要怎么算一个结构体的大小呢？

来了，从小白开始，教你们怎么算，这个面试可能会考，特别是c语言岗位的

以下面的这个结构体为例：

typedef struct test
{
    char a;
    int b;
    int d;  
    long c;
    int *e;
 
}test_t; 

我们根据对齐规则的第二点，要知道对齐数，具体怎么做呢，在代码上方加入这个

#pragma pack(show)

如下所示，我在编译时就会警告，告诉我们对齐数是多少

 知道对齐数了，还要知道每个类型的大小，代码如下

#include 
#pragma pack(show)
 
typedef struct test
{
    char a;
    int b;
    int c;  
    long d;
    int *e;
}test_t; 
 
int main()
{
    printf("short int的大小:%zd\n", sizeof(short int));
    printf("int      的大小:%zd\n", sizeof(int));
    printf("long	 的大小:%zd\n", sizeof(long));
    printf("long long的大小:%zd\n", sizeof(long long));
    printf("char	 的大小:%zd\n", sizeof(char));
    printf("char*	 的大小:%zd\n", sizeof(char*));
    printf("float	 的大小:%zd\n", sizeof(float));
    printf("double	 的大小:%zd\n", sizeof(double));
    printf("long double的大小:%zd\n", sizeof(long double));
    //printf("int的大小:%d", sizeof(int));
 
    //printf("结构体test的大小：%zd\n", sizeof(test_t));
    return 0;
}

会输出如下：和上面表格差不多，我使用的是64位编译器

short int的大小:2
int      的大小:4
long	 的大小:8
long long的大小:8
char	 的大小:1
char*	 的大小:8
float	 的大小:4
double	 的大小:8
long double的大小:16

        接下来该算结构体大小了，我知道了对齐数为8，要从结构体中定义的变量，从上往下算，我们要明确规则第三点中的每个成员变量都有自己的对齐数。

        我们设结构体的内存存储从1开始，实际是从0开始的，为了易理解：

        计算结构体中第1个变量，a为char型，占1个字节。

        计算结构体中第2个变量，b为int型，占4个字节，根据规则对齐规则2（其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处），如果从2地址开始存储，是错误的，起始地址为2，无法整除下一个变量的第一个整型变量大小，2/4 != 0，如下图所示

        所以要从4地址开始存储，4/4 = 1，能整除，存储后，结构体现在大小为1+'3'+4=8;存储结构如下图所示，才是正确的

        计算结构体中第3个变量，c为int型，8/4=2，能整除，从8开始存储，占4个字节，结构体现在大小为8+4=12

        接下来计算结构体中第4个变量，d为long型，占8个字节，从12往后找能被8整除最近的数，就是16啦，所以从16开始存储，结构体现在大小为12+'4'+8=24

        接下来计算结构体中第5个变量，e为指针型，占8个字节，现在总大小为24+8=32，图就不画了，和上面的类似，所以这个结构体test，总共占用字节数为32

要是结构体中还是有第6个变量呢？如下所示

         有人说了，这不简单吗，+1不就得了么，总共33个字节。不是的！结构体对齐规则第三条中写着：结构体总大小为最大对齐数的整数倍，33显然不是，里33最近的就是8*5=40，那此时结构体大小就为40。

        我打印下结构体中的每个变量地址分配，就知道了，如下图所示，表示的是每个变量存储的地址起点。

 这和我上述分析是一样的，只不过我用的是10进制分析的，编译器是16进制，你们可以算一下。

          有人说了，这不是浪费空间吗，结构体中就多了一个字节的变量，结构导致整个结构体大小多了一个对齐数=8位。确实会这样，这个结构体需要优化，后面会讲，先说一下结构体中的特殊情况。

结构体嵌套

        就是结构体中嵌套了结构体，也就是套娃，这时候要怎么算呢？我这里用一个简单的例子讲一下，结构体里面套一个结构体。如下所示

 这时候要怎么算呢？

        我们刚刚算到c这里时，这时已经占了12个字节了，接下来到结构体这个对象s了，先算这个嵌套结构体的大小，这个结构体比较简单，第一个是名字的cha*型指针，我的是64位编译器，所以所占字节位8位，第二个位int型变量，所占字节数位4，现在总大小为12byte，再根据结构体对齐规则第三条，结构体总大小为最大对齐数的整数倍，里12最近的就是8*2=16，所以总字节数为16.

        嵌套结构体的大小为16，在结构体test怎么存储呢？此时16已经超过最大对齐数，存储的话能够被最大字节数整除的下一个最近位置开始存储即可。刚刚算到c时，已经占到12这个位置了。所以要从16开始存储，一共占16位，所以总字节数为12+'4'+16=32；

        类型这种一个变量或者对象的大小超过最大对齐数的很多，如string类型的变量，就有固定的大小32位。存储的话，像上面那样套路存储计算，即可；

        接下来计算结构体中第5个变量，本身占8个字节，按上面的套路计算即可，加上去后此时总字节数40；

        计算第六个变量，d为long型，占8个字节，从40开始存储，现在总字节数为48；

        计算第七个变量，d为char型，占1个字节，从41开始存储，现在总字节数为49 ，根据结构体对齐规则3（结构体总大小为最大对齐数的整数倍 ），所以最终结构体总字节数为56.   

地址分布如下图所示：

         C语言中还有一种情况：结构体中有一种如char  name[16]，这种c语言字符串类型的，怎么算呢，这种很简单，他就相当于char 型的字符，有16个，连续排在一起。如下图所示，这种char型一个字符的，基本就是有地方就插，毕竟1能被任何数整除。

        结构体如何计算的已经搞定了，像上面说的，很多时间，结构体中的变量存储会有很多空隙，导致浪费存储空间，怎么办呢？

        可能很多人都想到了，把占用字节数小的变量放前面，大的放后面。

如果没有考虑，对结构体对齐不了解的话，可能变量乱放，如下图所示，这个结构体test的大小为72字节

         如果有考虑，对结构体对齐了解的话，变量不乱放，对结构体的成员位置进行优化，如下图所示，此时这个结构体test的大小为56字节，比不优化的少了16个字节

 

         可能有人会说：不优化结构体，平时写代码时运行时也没什么感觉

结构体对齐的意义：

        其实，在嵌入式领域，结构体是经常用到的，如单片机，stm32等，为什么要优化结构体呢？

        1.嵌入式领域的芯片，他的容量是很小的，不能我们电脑的磁盘那么大，可以节省空间。

        2.芯片中的数据读取，是有特定区域的，如果不优化结构体，结构体的数据读取的时候有些要拼接，这就浪费了时间，而芯片这种东西，效率是要求很高的。可以提高读取效率

        对于软件开发人员，不像嵌入式的芯片，很多软件并不在意这点运行所用的空间和时间，这是个细节吧。得要有这个意识，可能面试时问到，扣你细节时，回答对了，offer就是你的！