13、C 语言结构体尺寸知识点总结
CPU 字长、地址对齐、变量 m 值等基础概念入手，详细阐述结构体尺寸的计算方法，以及如何确保结构体的可移植性
C 语言结构体尺寸核心知识点总结
一、基础概念：CPU 字长与地址对齐
结构体尺寸的计算依赖于系统的CPU 字长和地址对齐规则，这是理解结构体内存布局的基础。
1. CPU 字长
- 定义：CPU 一次能处理的数据长度（32 位系统为 4 字节，64 位系统为 8 字节），决定了内存存取的基本单位。
- 影响：系统以字长为单位存取数据，例如 32 位 CPU 每次读写 4 字节，64 位 CPU 每次读写 8 字节。
2. 地址对齐
- 定义：数据的地址必须是其 “对齐单位” 的整数倍，确保 CPU 高效存取数据。
- 未对齐的问题：
若数据地址未对齐（如 32 位系统中 4 字节数据存放在地址 0x1001），CPU 需分多次读写，降低性能；部分系统甚至会直接报错。
- 对齐优势：
对齐的数据可被 CPU 一次性或最少次数读写，以空间换时间提升效率。
场景 | 32 位系统（4 字节单位） | 64 位系统（8 字节单位） |
对齐数据 | 1-2 次读写完成 | 1-2 次读写完成 |
未对齐数据 | 3 次以上读写 | 3 次以上读写 |
二、普通变量的 m 值（对齐单位）
变量的m 值是其地址需满足的最小整数倍（确保地址对齐），由变量类型的尺寸和系统字长共同决定。
1. m 值的计算规则
- m 值 = min (变量尺寸，系统字长)
（即 m 值不超过系统字长，且为变量尺寸的整数倍）
2. 常见类型的 m 值（32 位与 64 位系统）
变量类型 | 尺寸（字节） | 32 位系统 m 值 | 64 位系统 m 值 | 说明 |
char | 1 | 1 | 1 | 1 字节任意地址均对齐 |
short | 2 | 2 | 2 | 地址需为 2 的倍数 |
int | 4 | 4 | 4 | 地址需为 4 的倍数 |
float | 4 | 4 | 4 | 同 int |
double | 8 | 4（兼容 32 位） | 8 | 64 位系统需 8 的倍数 |
指针 | 4（32 位）/8（64 位） | 4 | 8 | 与系统字长一致 |
3. 示例验证
#include <stdio.h> int main() { char c; // m=1，地址可为任意值 short s; // m=2，地址需为偶数 int i; // m=4，地址需为4的倍数 double f; // 32位m=4，64位m=8 printf("char地址：%p（%d的倍数）\n", &c, (unsigned long)&c % 1); // 余数0 printf("short地址：%p（%d的倍数）\n", &s, (unsigned long)&s % 2); // 余数0 printf("int地址：%p（%d的倍数）\n", &i, (unsigned long)&i % 4); // 余数0 return 0; } |
三、结构体尺寸的计算
结构体的尺寸不仅取决于成员的总大小，还受地址对齐和成员排列顺序的影响，需遵循严格的计算规则。
1. 核心原则
- 结构体的 M 值：结构体成员中最大的 m 值（即M = max(m1, m2, ..., mn)）。
- 结构体尺寸：必须是 M 的整数倍，且不小于成员总尺寸的理论值。
2. 计算步骤
- 计算成员总理论尺寸：将所有成员的尺寸相加（不考虑对齐）。
- 确定结构体的 M 值：找到成员中最大的 m 值。
- 计算最小对齐尺寸：找到不小于理论总尺寸且为 M 整数倍的最小数值。
- 调整成员排列：成员在内存中需按各自 m 值对齐，可能产生空隙（填充字节），最终尺寸为调整后的总大小。
3. 示例解析
示例 1：基础结构体（32 位系统）
struct node1 { char c; // 尺寸1，m=1 short s; // 尺寸2，m=2 int i; // 尺寸4，m=4 }; |
- 理论总尺寸：1 + 2 + 4 = 7
- 成员最大 m 值（M）：4
- 最小对齐尺寸：8（7 的下一个 4 的倍数）
- 实际内存布局：
- c占 1 字节（地址 0），填充 1 字节（地址 1）以对齐s（m=2，地址 2）；
- s占 2 字节（地址 2-3）；
- i占 4 字节（地址 4-7）；
- 总尺寸：8 字节。
示例 2：含 double 的结构体（32 位系统）
struct node2 { char c; // 尺寸1，m=1 double d; // 尺寸8，m=4（32位系统） }; |
- 理论总尺寸：1 + 8 = 9
- 成员最大 m 值（M）：4
- 最小对齐尺寸：12（9 的下一个 4 的倍数）
- 实际内存布局：
- c占 1 字节（地址 0），填充 3 字节（地址 1-3）以对齐d（m=4，地址 4）；
- d占 8 字节（地址 4-11）；
- 总尺寸：12 字节。
示例 3：成员顺序对尺寸的影响
// 顺序1：尺寸12字节 struct node3 { char c; // 1字节 + 3填充 int i; // 4字节 short s; // 2字节 + 2填充（凑齐M=4的倍数） }; // 顺序2：尺寸8字节（更优） struct node4 { int i; // 4字节 short s; // 2字节 char c; // 1字节 + 1填充（凑齐M=4的倍数） }; |
- 结论：成员按 “大尺寸在前，小尺寸在后” 排列可减少填充，减小结构体尺寸。
四、结构体的可移植性
结构体在不同系统（如 32 位与 64 位）中可能因尺寸和成员位置变化导致不可移植，需通过技术手段解决。
1. 可移植性问题根源
- 尺寸变化：基本类型（如 int）在不同系统中尺寸可能不同（如 16 位系统 int 为 2 字节）。
- 位置变化：不同系统的对齐规则（m 值）不同，导致成员相对位置变化。
2. 解决方案
（1）使用可移植整型
通过typedef定义与尺寸绑定的类型，确保在任何系统中尺寸固定：
// 有符号整型 typedef signed char int8_t; // 1字节 typedef signed short int16_t; // 2字节 typedef signed int int32_t; // 4字节 typedef signed long long int64_t; // 8字节 // 无符号整型 typedef unsigned char uint8_t; // 1字节 typedef unsigned short uint16_t; // 2字节 typedef unsigned int uint32_t; // 4字节 typedef unsigned long long uint64_t; // 8字节 |
（2）固定成员对齐与位置
通过 GNU 扩展__attribute__控制对齐方式：
- 固定成员 m 值：__attribute__((aligned(n)))强制成员的 m 值为 n（n 为 2 的幂）。
struct node5 { int8_t a __attribute__((aligned(1))); // m=1 int32_t b __attribute__((aligned(4))); // m=4 }; |
- 压实结构体：__attribute__((packed))取消填充，成员紧密排列（以性能换空间）。
struct node6 { int8_t a; int32_t b; } __attribute__((packed)); // 总尺寸=1+4=5字节（无填充） |
五、总结与注意事项
- 地址对齐的核心：以空间换时间，确保 CPU 高效存取数据，结构体尺寸计算必须遵循此规则。
- 成员排列技巧：按 “大尺寸成员在前，小尺寸成员在后” 排列，减少填充字节，优化结构体尺寸。
- 可移植性关键：使用可移植整型（如 int32_t）和__attribute__控制对齐，避免不同系统下的尺寸和位置差异。
- 实战建议：通过sizeof验证结构体尺寸，必要时借助编译器工具（如gcc -Wpadded）查看填充情况。
掌握结构体尺寸计算与可移植性技巧，是编写跨平台 C 代码和优化内存使用的重要基础。