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【C++】讲的最通透最易懂的关于结构体内存对齐的问题

news 2025/8/21 10:21:01

1. 内存对齐规则

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的位置处。
其他成员变量要对齐到某个数字（对其数）的整数倍的地址处。对其数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小者。vs中默认的值是8 Linux中默认的值是4
结构体总大小为最大对其数（每一个成员变量都有一个对其数）的整数倍。
如果嵌套了结构体对齐到自己的最大对其数是整数倍处，结构体的整体大小就是最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。
如对内存对齐有明确要求，可用#pragma pack(n)指定（n必须是2的N次方），以n和结构体中最长数据成员长度中较小者为有效值

可能只看上面的描述你还是有点搞不懂，那么我们可以看一下具体的例子和视图讲解：

struct s1{char c1;int i;char c2;
};
//结构体总大小为：12

在这里插入图片描述

2. 简单易懂的内存对齐示例

2.1 简单结构体

struct s1
{char str;  //1字节short x;   //2字节int num;   //4字节
};
// sizeof(s1) = 8     // (1+1) + 2 + 4 = 8  第2个加1处的内存是空的

2.2 含位域的结构体

一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。

struct s2
{unsigned char a:7;  //字段a占用了一个字节的7个bitunsigned char b:2;  //字段b占用了2个bitunsigned char c:7;  //字段c占用了7个bit
}s1;
// sizeof(s1) = 3  // 1 + 1 + 1 = 3

struct s3
{char t : 4;   //4表示在一个字节中占4个比特位char k : 4;
}; 
// sizeof(s3) = 1   //0.5 + 0.5 = 1

struct s4
{char t : 4;   //4表示在一个字节中占4个比特位char k : 4;unsigned short i : 8;char a;
}; 
// sizeof(s4) = 6   //(0.5 + 0.5 + 1) + 2 + (1+1) = 6
// 解释：0.5和0.5占一个字节，两个占4比特的刚好可以放在一个字节中，short为2字节，对齐数是2，所以0.5 + 0.5 + 1中加的1是空的

2.3 空类的大小

class A {};
// sizeof(A) = 1

空类，没有任何成员变量和成员函数，编译器是支持空类实例化对象的，对象必须要被分配内存空间才有意义，大小： 1Byte （字节）

2.4 嵌套结构体

class A {
private:double dd;int ii;int* pp;
};class Test {
private:int i;A a;double d;char* p;
};

int main()
{A a1;Test test;cout << sizeof(a1) << endl;cout << sizeof(test) << endl;
}
// x86(32位操作系统)平台运行结果：40
// x64(64位操作系统)平台运行结果：48

对其数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小者，vs中默认的值是8

x86：指针是4字节，类A的大小是16，8与16的较小者是8。内存大小为：8 + 16 + 8 + 4 = 36，又因为36不是最大对齐数8的倍数，所以内存向后偏移，大小为 40
x64：指针是8字节，类A大小为24，8与24的较小者是8。内存大小为：8 + 24 + 8 +8 = 48，48刚好是最大对齐数8的倍数，所以内存大小为48

3. 为什么需要内存对齐？

字节对齐主要是为了提高内存的访问效率

cpu一次能读取多少内存要看数据总线是多少位，如果是16位，则一次只能读取2个字节，如果是32位，则可以读取4个字节，并且cpu不能跨内存区间访问。
假设有这样一个结构体如下：

struct s
{char a;int b;
};

假设地址空间是类似下面这样的：
在这里插入图片描述

在没有字节对齐的情况下，变量a就是占用了0x00000001这一个字节，而变量b则是占用了0x00000002~0x000000005这四个字节，那么cpu如果想从内存中读取变量b，首先要从变量b的开始地址0x00000002读到0x0000004，然后再读取一次0x00000005这个字节，相当于读一个int，cpu从内存读取了两次。
而如果进行字节对齐的话，变量a还是占用了0x00000001这一个字节，而变量b则是占用了0x00000005~0x00000008这四个字节，那么cpu要读取变量b的话，就直接一次性从0x00000005读到0x00000008，就一次全部读取出来了。
所以说，字节对齐的根本原因其实在于cpu读取内存的效率问题，对齐以后，cpu读取内存的效率会更快。结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法