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[C语言] 结构体内存对齐规则内存大小计算

news 2025/9/2 8:04:05

前言

01-基本概念

02-示例说明

2.1 计算过程分析：

2.2 输出结果：

注意：

03-示例2

3.1 示例结构体定义

详细计算过程

3.2 输出结果

3.3 关键结论

04-示例3

4.1 结构体大小计算过程

分步计算：

4.2 输出结果：

4.3 内存布局示意图：

4.4 总结：

4.5 优化

优化后结构体的内存布局分析（地址从 0 开始）：

05-优化核心思路：

[C语言] 结构体内存对齐规则内存大小计算

前言

定义一个结构体，结构体中有 uint8 uint16 uint32的成员变量，怎么计算这个结构体在内存中的大小？请举个例子详细解释

⭐在 C 语言中，结构体的内存大小计算需要考虑成员变量的大小和内存对齐（Padding） 两个因素，而不仅仅是简单地将所有成员大小相加。内存对齐是编译器为了提高访问效率而采取的策略，不同成员类型有不同的对齐要求。

01-基本概念

每个基本类型（如uint8_t、uint16_t、uint32_t）有其自然对齐值（通常等于其自身大小）：
- uint8_t（1 字节）：对齐值为 1
- uint16_t（2 字节）：对齐值为 2
- uint32_t（4 字节）：对齐值为 4
结构体的总大小必须是其最大成员对齐值的整数倍。⭐

02-示例说明

定义一个包含uint8_t、uint16_t、uint32_t的结构体，计算其内存大小：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h> // 包含uint8_t、uint16_t、uint32_t的定义// 定义结构体
struct MyStruct {uint8_t  a;  // 1字节uint16_t b;  // 2字节uint32_t c;  // 4字节
};int main() {// 打印各成员大小printf("uint8_t 大小: %zu 字节\n", sizeof(uint8_t));printf("uint16_t 大小: %zu 字节\n", sizeof(uint16_t));printf("uint32_t 大小: %zu 字节\n", sizeof(uint32_t));// 打印结构体总大小printf("结构体 MyStruct 大小: %zu 字节\n", sizeof(struct MyStruct));return 0;
}

2.1 计算过程分析：

成员a（uint8_t）：
- 占 1 字节，从地址 0 开始存放（满足 1 字节对齐）。
- 此时已用内存：1 字节。
成员b（uint16_t）：
- 要求 2 字节对齐（地址必须是 2 的倍数）。
- 上一个成员结束于地址 1，不满足对齐要求，因此需要填充 1 字节的空白（地址 1 处）。
- b从地址 2 开始存放，占用地址 2-3（2 字节）。
- 此时已用内存：1（a） + 1（填充） + 2（b） = 4 字节。
成员c（uint32_t）：
- 要求 4 字节对齐（地址必须是 4 的倍数）。
- 上一个成员结束于地址 3，下一个地址 4 正好满足 4 字节对齐。
- c从地址 4 开始存放，占用地址 4-7（4 字节）。
- 此时已用内存：4 + 4（c） = 8 字节。
结构体总大小：
- 最大成员对齐值为 4（uint32_t），8 是 4 的整数倍，无需额外填充。
- 最终大小：8 字节。

2.2 输出结果：

uint8_t 大小: 1 字节
uint16_t 大小: 2 字节
uint32_t 大小: 4 字节
结构体 MyStruct 大小: 8 字节

注意：

如果调整成员顺序，结构体大小可能改变。例如，将uint32_t放在最前：

struct MyStruct {uint32_t c;  // 4字节uint16_t b;  // 2字节uint8_t  a;  // 1字节
};

此时总大小为 7 字节，但因需要满足 4 字节对齐，最终会填充 1 字节，总大小为 8 字节。
可以通过#pragma pack等编译器指令修改对齐方式，但不建议随意修改，可能影响性能。

从输出结果可以看到，这个结构体的总大小是 8 字节，而不是简单的 1+2+4=7 字节，这正是因为内存对齐机制导致的（在uint8_t a和uint16_t b之间填充了 1 字节的空白）。

我们可以通过打印成员的内存地址来更直观地看到对齐情况：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>struct MyStruct {uint8_t  a;uint16_t b;uint32_t c;
};int main() {struct MyStruct s;printf("a的地址: %p\n", &s.a);printf("b的地址: %p\n", &s.b);printf("c的地址: %p\n", &s.c);return 0;
}

假设输出的地址是：

a的地址: 0x7ffd6b7a4a30
b的地址: 0x7ffd6b7a4a32  // 与a相差2字节（中间有1字节填充）
c的地址: 0x7ffd6b7a4a34  // 与b相差2字节（刚好放下b）

可以清晰地看到：

a占用 1 字节（0x30）
地址 0x31 被填充（不存储有效数据）
b从地址 0x32 开始（满足 2 字节对齐），占用 0x32-0x33
c从地址 0x34 开始（满足 4 字节对齐），占用 0x34-0x37

整个结构体从 0x30 到 0x37，共 8 字节，刚好是最大成员（4 字节）的 2 倍，满足结构体整体对齐要求。