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在初次接觸C結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型時(shí)，為了便于初學(xué)者的學(xué)習(xí)和記憶，暫且將結(jié)構(gòu)體類型與基本數(shù)據(jù)類型視為等同，而不必去理會(huì)結(jié)構(gòu)體作為一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性。這類學(xué)習(xí)路線在一定程度上表現(xiàn)出對初學(xué)者的友好，不過也會(huì)在深入學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)體性質(zhì)的過程中，因?yàn)樗季S慣性的緣故造成揮之不去的干擾，因此即便無需在初學(xué)階段深究結(jié)構(gòu)體特性，也需要強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)體的一些基礎(chǔ)且重要特性等概念，并積極鼓勵(lì)初學(xué)者親自動(dòng)手實(shí)踐加以驗(yàn)證。

當(dāng)初自己在學(xué)習(xí)C結(jié)構(gòu)體時(shí)，并沒有人向我強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局和對齊機(jī)制等概念，更別提其中的具體表現(xiàn)和深層次原理，以至于我在后來的實(shí)踐過程中遇到一些自認(rèn)為是莫名其妙的偏差和錯(cuò)誤時(shí)，往往無從下手。在自己的固有印象中，為什么一個(gè)大小理應(yīng)為23字節(jié)的結(jié)構(gòu)體變量，實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)卻為40字節(jié)大??？多余使用的字節(jié)中到底存儲(chǔ)著怎樣的內(nèi)容？為何需要多余使用這些空間？以及這么做有何意義，這么做是不是在浪費(fèi)寶貴的內(nèi)存空間？即便我在初步了解如文章標(biāo)題中所描述的技術(shù)之后，我依舊會(huì)被突如其來的思維方式轉(zhuǎn)變而無所適從，也就是說理論無法充分地聯(lián)系實(shí)際。因此我希望再次以一位初學(xué)者的視角，初探C結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局與對齊機(jī)制。

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請注意，這里所討論的內(nèi)存布局是指進(jìn)程在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)下的直觀表現(xiàn)，現(xiàn)代操作系統(tǒng)為用戶提供了比物理內(nèi)存更為高效、安全的上層抽象，允許我們使用統(tǒng)一的內(nèi)存模型去描述進(jìn)程，不過這都是題外話了。既然已經(jīng)知道C結(jié)構(gòu)體在一般情形下會(huì)遵循內(nèi)存對齊的規(guī)定，那么這樣做到底有何意義？是不是浪費(fèi)內(nèi)存空間？對此網(wǎng)上已有較為詳細(xì)的解釋，一是為了跨平臺(tái)可移植性；二是為了盡可能提升不同處理器對內(nèi)存訪問效率，這里不作過多贅述。一言蔽之，浪費(fèi)內(nèi)存空間了但又沒完全浪費(fèi)，為了避免不必要的效能損失，拿空間換時(shí)間是慣用做法。相比之下，在一些特定情形中，由用戶自身造成的內(nèi)存浪費(fèi)往往會(huì)比對齊所舍棄的空間要嚴(yán)重得多。

既然在大多數(shù)情形中，結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊機(jī)制不可避免，那么多余使用的字節(jié)中到底存儲(chǔ)著怎樣的內(nèi)容？取決于編譯器具體實(shí)現(xiàn)，但無論如何不會(huì)是你所需要的填充內(nèi)容（padding），不過這對我們來說是無關(guān)緊要的，編譯器會(huì)幫忙處理好這一切。需要重點(diǎn)關(guān)注的是：結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局是依據(jù)何種方式或規(guī)則對齊的？歸納起來無外乎是以下三項(xiàng)原則：

1. 結(jié)構(gòu)體的首地址（同時(shí)也是結(jié)構(gòu)體中首個(gè)成員的起始地址）能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除（PS：且只可能是1，2，4，8這類寬度的整數(shù)倍）；

2. 結(jié)構(gòu)體中各成員相對結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量（offset）是該成員類型寬度和平臺(tái)默認(rèn)對齊寬度中較小值的整數(shù)倍；

3. 結(jié)構(gòu)體的整體大小是其最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

如果在對齊的過程中遇到不滿足上述原則的情形，則使用字節(jié)填充的方式直至滿足規(guī)則。乍一看這些規(guī)則既繞口又抽象，一時(shí)間讓人無從下手，強(qiáng)行解釋反而適得其反，索性結(jié)合實(shí)例逐條理解也許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。不過在此之前有必要描述有關(guān)演示環(huán)境的相關(guān)信息，以x86-64平臺(tái)為例，在64位操作系統(tǒng)上，演示所用到的基本數(shù)據(jù)類型占用字節(jié)大小分別如下：

查閱相關(guān)資料可知，該環(huán)境下默認(rèn)對齊寬度為8byte。于是我們定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)體類型用以演示，如下所示，結(jié)構(gòu)體BasicType中只包含有基本數(shù)據(jù)類型的成員，結(jié)構(gòu)體MixedType中包含有更為復(fù)雜的組合數(shù)據(jù)類型：

其中各結(jié)構(gòu)體聲明末尾處的注釋部分是我依據(jù)對齊基本原則計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)體大小估值，接下來我們通過更加直觀的方式來觀察內(nèi)存對齊后的效果與布局，首先是BasicType結(jié)構(gòu)體變量：

和預(yù)期中的一樣，對齊后的BasicType結(jié)構(gòu)體變量整體大小為24字節(jié)，而不是簡單地將成員變量類型大小累加之后的23字節(jié)，究其原因是在uchar成員變量之后填充了1字節(jié)，從上圖中uchar與ushort兩者之間的起始地址差值（0x7ffff0b39582 - 0x7ffff0b39580）也能看出來，原理是依據(jù)原則2，與默認(rèn)對齊寬度相比，ushort數(shù)據(jù)類型寬度較小且為2，則要求到結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量為2的整數(shù)倍，uchar僅需使用1字節(jié)，繼而填充1字節(jié)以滿足條件。同時(shí)我們也能直接觀察得知，結(jié)構(gòu)體首地址與結(jié)構(gòu)體首個(gè)成員的起始地址是一致的（0x7ffff0b39580）。以上的描述可能還是比較籠統(tǒng)，所以我用excel表格繪制了一張內(nèi)存對齊布局的示意圖，也僅僅是符合邏輯上的局部，實(shí)際物理布局絕非如此：

這樣看待對齊局部便能做到一目了然，便于我們從頭說起。依據(jù)對齊原則1，讓我們檢查一下結(jié)構(gòu)體變量首地址，0x7ffff0b39580能夠被其包含的最寬基本類型大小所整除，此時(shí)最寬基本類型與平臺(tái)默認(rèn)對齊寬度一致，同為8，最寬基本類型可以是double、unsigned long。成員uchar和ushort的對齊情況上面已經(jīng)說過，此時(shí)uint的偏移量為4，滿足原則2，緊接著占用4字節(jié)；隨后ulong的偏移量為8，滿足原則2，緊接著占用8字節(jié)，以此類推。最后當(dāng)dbl也完成對齊并占用字節(jié)后，檢查此時(shí)結(jié)構(gòu)體整體的大小為24，符合原則3，無需再填充額外字節(jié)用以對齊。至此，BasicType結(jié)構(gòu)體變量的最終大小為24字節(jié)（可視范圍）。

讓我們繼續(xù)觀察MixedType結(jié)構(gòu)體變量的表現(xiàn)，不出所料，對齊后的MixedType結(jié)構(gòu)體變量整體大小為56字節(jié)，首地址（0x7ffff0b39540）同樣與其首個(gè)成員的起始地址一致，也能夠被其包含的最寬基本類型大小所整除。

這里需要著重解釋一下，對于像MixedType這類包含組合類型的結(jié)構(gòu)體該如何計(jì)算其最寬基本類型大小，并與平臺(tái)默認(rèn)對齊寬度作比較。對于結(jié)構(gòu)體中所包含的數(shù)組類型成員，其類型寬度就是它自身基本數(shù)據(jù)類型的寬度，例如成員char chs[n]，其類型寬度是char基本數(shù)據(jù)類型的寬度1；對于結(jié)構(gòu)體中所包含的結(jié)構(gòu)體類型成員，其類型寬度就是它自身所包含的最寬基本數(shù)據(jù)類型，例如包含在MixedType結(jié)構(gòu)體中的BasicType結(jié)構(gòu)體成員，其類型寬度就是double、unsigned long基本數(shù)據(jù)類型的寬度8，所以當(dāng)我們將結(jié)構(gòu)體成員視為整體時(shí)，其類型寬度計(jì)算如上，除了作為判斷最外層結(jié)構(gòu)體的最寬數(shù)據(jù)類型大小的依據(jù)之一以外，對于結(jié)構(gòu)體成員的內(nèi)存對齊填充具有重要的指示作用。這部分概念確實(shí)比較繞口和生澀難懂，但也是解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊問題的關(guān)鍵所在，值得反復(fù)揣摩。

同樣給出我用excel表繪制的內(nèi)存對齊布局示意圖，便于理解：

如果你能較為清晰地理解我著重解釋的內(nèi)容，那么在你的腦海當(dāng)中描繪出以上這張圖并不會(huì)太難，所要做的無非是搞清楚每一次對齊填充的依據(jù)是什么？盡管成員變量integers是以unsigned數(shù)組的形式存在，其類型寬度與unsigned基本數(shù)據(jù)類型一致，在面對占用7字節(jié)的成員變量chars給自身所造成的偏移量時(shí)，毅然選擇了對齊填充1字節(jié)，使得自身偏移量為8，滿足是自身類型寬度整數(shù)倍的要求。當(dāng)我們剛剛結(jié)束對成員變量pstr的安排，打算為結(jié)構(gòu)體成員變量S_basic_type計(jì)算其自身偏移量和類型寬度時(shí)，請把它當(dāng)作整體來看待，而不是完全展開后單獨(dú)為S_basic_type.uchar量身做嫁衣，只有當(dāng)我們將結(jié)構(gòu)體成員整體安排妥當(dāng)之后再考慮其家族中個(gè)人的事。無論你是否愿意這么做，解決MixedType結(jié)構(gòu)體變量的內(nèi)存對齊問題確實(shí)給我們上了深刻的一節(jié)課。

至此我們得到了兩種結(jié)構(gòu)體在進(jìn)行對齊之后的內(nèi)存布局和最終可視的大小。為何要這么說？原因是在我驗(yàn)證過程中另外觀察到了一些細(xì)微的誤差。其實(shí)以上這兩個(gè)不同類型的結(jié)構(gòu)體變量，是緊挨著進(jìn)行聲明和定義的局部變量，按照C程序的進(jìn)程內(nèi)存模型，這兩個(gè)局部變量是先后相鄰著壓入進(jìn)程的棧區(qū)，在邏輯上這兩者的虛擬地址是非常相近的，實(shí)際結(jié)果也是如此：

S_basic_type比S_mixed_type更早聲明和定義，因此兩者的起始地址分別為0x7ffff0b39580，0x7ffff0b39540，非常接近不是嗎？此外，由于進(jìn)程棧區(qū)的增長方向是從高位地址向低位生長，S_basic_type比S_mixed_type更早入棧，所以兩者起始地址的大小順序也是符合條件的，似乎并無異樣。讓我們計(jì)算一下兩個(gè)地址的偏移值，0x7ffff0b39580 -?0x7ffff0b39540 = 0x000000000040，簡單點(diǎn)0x40，對應(yīng)十進(jìn)制是64，也就是說對應(yīng)間隙的大小為64字節(jié)，讓我們再繪制一個(gè)棧區(qū)的局部示意圖：

無需我多說，非常直觀。而且可以確定的是，S_mixed_type對齊后的最終大小為56字節(jié)，滿足各項(xiàng)對齊原則無需額外的8字節(jié)繼續(xù)對齊。那么這多余的8字節(jié)從何而來？為何而來？我首先懷疑的是，如果S_mixed_type按照自己的實(shí)際大小，向上覆蓋這8字節(jié)緊挨著S_basic_type，那么S_mixed_type的起始地址將變?yōu)?x7ffff0b39548，是否會(huì)違背對齊原則1呢？顯然0x7ffff0b39540是8的整數(shù)倍，0x7ffff0b39540 + 8又何嘗不是8的整數(shù)倍？所以理論上0x7ffff0b39548是可以充當(dāng)S_mixed_type的起始地址，因此這額外的8字節(jié)大概率是故意為之。那么為何要額外保留這8字節(jié)？我個(gè)人的猜想是：

• 由具體平臺(tái)或編譯器具體實(shí)現(xiàn)所致，需要以某種固定模式來組織、管理進(jìn)程棧區(qū)所保存的數(shù)據(jù)；

• 或是這額外的8字節(jié)中保存有S_basic_type結(jié)構(gòu)信息，我們知道C結(jié)構(gòu)體并不是基本數(shù)據(jù)類型，而更像是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不可避免地需要保留少量的結(jié)構(gòu)信息，這些信息是正確訪問這類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，往往對用戶不可見，因此我才將結(jié)構(gòu)體對齊后的最終大小稱之為可視大小。

但無論是何種猜想都需要更加深入一系列底層實(shí)現(xiàn)，這顯然超出了我們的討論范圍，以上這些內(nèi)容無關(guān)文章標(biāo)題，僅僅是作為驗(yàn)證過程的副產(chǎn)物，因此點(diǎn)到為止。

讓我們繼續(xù)探討C結(jié)構(gòu)體對齊和內(nèi)存布局這一話題，還記得上文說過：在某些特定情形中，由用戶自身造成的內(nèi)存浪費(fèi)往往會(huì)比對齊所舍棄的空間要嚴(yán)重得多這句話嗎？準(zhǔn)確來說是因?yàn)橛脩糇陨韮?yōu)化原因顯著放大了對齊所舍棄的空間，從而造成不必要的內(nèi)存浪費(fèi)。下面我用幾個(gè)例子來說明，而這些例子與上面示例中的結(jié)構(gòu)體相比，僅僅是調(diào)整了聲明結(jié)構(gòu)體成員的先后順序，但最終的結(jié)果卻大相徑庭：

在揭曉答案之前可以先自行估算一下，檢驗(yàn)一下自己對結(jié)構(gòu)體對齊規(guī)則的理解程度。這里我在注釋中給出了自己的預(yù)估值，所以就不賣關(guān)子了，下面分別給出實(shí)際結(jié)果和布局示意圖：

上圖給我們的直觀感受是調(diào)整成員順序后的結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中的布局似乎不再像之前那樣緊湊，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)了許多因?qū)R填充而導(dǎo)致的內(nèi)存空間的浪費(fèi)，更有甚者出現(xiàn)了接近一半的空間浪費(fèi)。希望在你的腦海中已經(jīng)擁有了清晰的思路來解釋這一現(xiàn)象；以及我們在使用結(jié)構(gòu)體的同時(shí)，該如何避免出現(xiàn)這樣的情況？我們當(dāng)然知道，出現(xiàn)這種不必要的空間浪費(fèi)直觀感受便是結(jié)構(gòu)體對齊機(jī)制的鍋；當(dāng)我們再往上翻看，只是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體成員聲明順序發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致了這樣的災(zāi)變，順著對齊原則的思路似乎可以得出以下結(jié)論，當(dāng)我們在聲明和定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體時(shí)：

• 結(jié)構(gòu)體類型不等同于基本數(shù)據(jù)類型，它有自己的定位；

• 不要輕易無視結(jié)構(gòu)體對齊機(jī)制的存在，除非你很清楚自己在做什么，不要擅自改變這一現(xiàn)狀；

• 結(jié)構(gòu)體中各成員的聲明順序?qū)?huì)影響到整體最終的對齊方式、內(nèi)存布局以及大?。?/p>

• 聲明結(jié)構(gòu)體成員時(shí)，順序上，類型寬度較小的成員應(yīng)先于寬度較大的成員，相同類型或類型寬度相同的成員應(yīng)盡可能相鄰。

以上便是本次對C結(jié)構(gòu)體初探的學(xué)習(xí)思路、實(shí)踐過程以及初步結(jié)論。作為一名初學(xué)者從感性認(rèn)知再到理性認(rèn)知的過程必不可少，我也很熱衷于反復(fù)回顧這些基礎(chǔ)理論知識(shí)，子曰：溫故而知新可以為師矣。當(dāng)然，講得有不到位、謬誤之處也請批評指正。

參考資料：

• https://www.bilibili.com/read/cv12221662????（C語言結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局問題）

• https://blog.csdn.net/Carrot_ly/article/details/118242788????（結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊的意義）