面試愛問之結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

好玩的MATLAB

C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體對(duì)齊問題，是面試必備問題。我參與招聘技術(shù)面試的時(shí)候，也喜歡問這個(gè)技術(shù)點(diǎn)。這不是在面試時(shí)要裝B，也不是要故意難為一下面試者，而是這個(gè)知識(shí)點(diǎn)比較基礎(chǔ)，但很重要。網(wǎng)上搜出來(lái)的嵌入式或C語(yǔ)言筆試題，很多都有這種題目，連《程序員面試寶典》也有講解這種題目。

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊知識(shí)點(diǎn)考察，儼然成為編程技術(shù)崗面試筆試的一種標(biāo)配。我以前找工作被問這種題的時(shí)候就經(jīng)常想，結(jié)構(gòu)體對(duì)齊這個(gè)東西平常很少用，考這東西干嘛？為什么結(jié)構(gòu)體對(duì)齊那么重要�？纯催@個(gè)例子：

    typedef struct     {        int e_int;        char e_char1;        char e_char2;    }S2;
    typedef struct     {        char e_char1;        int e_int;        char e_char2;    }S3;    S2 s2;    S3 s3;你覺得這倆結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存是一樣大嗎？其實(shí)不是！
好像也沒什么啊，一不一樣大對(duì)于C語(yǔ)言程序員有什么所謂！
也許你還還感覺不到，上段代碼：

    S2 s2[1024] = {0};    S3 s3[1024] = {0};對(duì)于32位系統(tǒng)，s2的大小為8K，而s3的大小為12K，一放大，就有很明顯的區(qū)別了。
再舉個(gè)例子：

unsigned char bytes[10]={0};int* p = (int*)&bytes[3];*p = 0x345678;你覺得執(zhí)行上面的代碼會(huì)發(fā)生什么情況？Warining？只是Warning么？！以前我也沒覺得懂得這個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)齊或者內(nèi)存對(duì)齊有多重要，直到已經(jīng)從事了嵌入式開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不斷積累，才慢慢體會(huì)到，這是一種很基礎(chǔ)的知識(shí)，就因?yàn)檫@個(gè)東西不常用，而出現(xiàn)相關(guān)的問題是非常致命的，排查起來(lái)成本非常高。有個(gè)小伙伴，因?yàn)橐粋�(gè)內(nèi)存對(duì)齊(結(jié)構(gòu)體對(duì)齊相關(guān)知識(shí)點(diǎn))問題導(dǎo)致的偶發(fā)性Exception問題，折騰了一個(gè)多星期。由于項(xiàng)目接近尾聲，出現(xiàn)這種問題，項(xiàng)目經(jīng)理、老板都操心得不得了。天天不是奶茶水果，就是宵夜，把小伙伴當(dāng)寶貝來(lái)哄，為的就是快速定位這個(gè)問題。然而，他們?nèi)找岳^夜的排查了一個(gè)多星期，依然一臉懵逼。直到讓我參與進(jìn)來(lái)支援，我通過仿真方式碰巧捕捉到了這種異常情況。問題的根本原因就是強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的內(nèi)存對(duì)齊問題。篇幅有限，這個(gè)故事，以后慢慢細(xì)講。接下來(lái)先看看，結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的知識(shí)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，說(shuō)不難吧，我研究了很多次，都沒完全記�。徽f(shuō)難吧，理解其原因本質(zhì)，就易如破竹。結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，其實(shí)其本質(zhì)就是內(nèi)存對(duì)齊。什么以最大元素變量為單位，什么最小公倍數(shù)等等法則，通通都是讓你死記硬背的，沒兩天就忘了。為什么要結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，原因就是內(nèi)存要對(duì)齊，原因是芯片內(nèi)存的制造限制，是制造成本約束，是內(nèi)存讀取效率要求。如果你上學(xué)的時(shí)候認(rèn)真學(xué)習(xí)過微機(jī)原理，應(yīng)該還記得，芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線這個(gè)概念吧。沒學(xué)過微機(jī)原理也沒關(guān)系，8位單片機(jī)、16位單片機(jī)和32位單片機(jī)等等，這些總得聽說(shuō)過吧。

這個(gè)8位、16位和32位等，指的是單片機(jī)一次處理數(shù)據(jù)的寬度，也就和數(shù)據(jù)總線相關(guān)了。
細(xì)心的小伙伴會(huì)知道，16位單片機(jī)的通用寄存器例如R0的長(zhǎng)度是2個(gè)字節(jié)的，而32位的是4字節(jié)的。也就是說(shuō)16位單片機(jī)，單指令一次訪問數(shù)據(jù)是2個(gè)字節(jié)，而32位單片機(jī)可以訪問4字節(jié)。為了提高M(jìn)CU的運(yùn)行效率，內(nèi)存設(shè)計(jì)上，進(jìn)來(lái)適應(yīng)這個(gè)CPU的總線訪問。以32位MCU為例，其內(nèi)存一般都是每4字節(jié)（32位）為一個(gè)小單元，有時(shí)候也叫1個(gè)字（Word）。

注意：字節(jié)，這個(gè)概念長(zhǎng)度是固定的，就是8bit；而字，卻不是固定的，跟CPU或系統(tǒng)位數(shù)有關(guān)，有時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)字、雙字這些概念，舉例說(shuō)明下：32位計(jì)算機(jī)：1字=32位=4字節(jié)，64位計(jì)算機(jī)：1字=64位=8字節(jié)所以，對(duì)于C語(yǔ)言的變量的存放和訪問，都會(huì)按著這單位來(lái)，例如32位系統(tǒng)中，char是一個(gè)字節(jié)的，就按Byte來(lái)，int是4字節(jié)的，那么按Word來(lái)。
為什么要這樣呢？
如果，一塊內(nèi)存在地址上隨便放的，CPU有可能就會(huì)用到多條指令來(lái)訪問，這就會(huì)降低效率。對(duì)于32位系統(tǒng)，如下圖的A可能需要2條指令訪問，而B只需1條指令。



不僅單片機(jī)這樣，我們常用的計(jì)算機(jī)也是這樣，你看內(nèi)存條，長(zhǎng)這樣的：

你以為，通過總線的方式可以隨便訪問一個(gè)地址嗎

但是，為了提高訪問速度，其設(shè)計(jì)是這樣的：




這樣，這個(gè)地址就必須是8的倍數(shù)。
如果你要從不對(duì)齊的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，雖然在C語(yǔ)言編程上感覺不到這樣的操作有什么區(qū)別，但CPU是分開多次讀出來(lái)的。這就是內(nèi)存對(duì)齊了。int8（即char）是以1字節(jié)對(duì)齊，int16是以2字節(jié)對(duì)齊，而int32是以4字節(jié)對(duì)齊的，等等。（以上案例看不懂？推薦去B站看這個(gè)視頻：【Golang】這個(gè)內(nèi)存對(duì)齊呀��？_嗶哩嗶哩_bilibili，我上面的圖也是參考這個(gè)視頻的。）世界上CPU平臺(tái)、系統(tǒng)那么多，我們?cè)趺粗�道哪個(gè)類型到底有多長(zhǎng)，是以哪種長(zhǎng)度對(duì)齊的？
不要瞎猜，直接上代碼。每個(gè)平臺(tái)都不一樣，請(qǐng)讀者自行測(cè)試，以下我是基于Windows上MinGW的GCC測(cè)的。

#define BASE_TYPE_SIZE(t)   printf("%12s : %2d Byte%s
", #t, sizeof(t), (sizeof(t))>1?"s":"")void base_type_size(void){    BASE_TYPE_SIZE(void);    BASE_TYPE_SIZE(char);    BASE_TYPE_SIZE(short);    BASE_TYPE_SIZE(int);    BASE_TYPE_SIZE(long);    BASE_TYPE_SIZE(long long);    BASE_TYPE_SIZE(float);    BASE_TYPE_SIZE(double);    BASE_TYPE_SIZE(long double);    BASE_TYPE_SIZE(void*);    BASE_TYPE_SIZE(char*);    BASE_TYPE_SIZE(int*);        typedef struct     {    }StructNull;    BASE_TYPE_SIZE(StructNull);    BASE_TYPE_SIZE(StructNull*);}結(jié)果是：

        void :  1 Byte        char :  1 Byte       short :  2 Bytes         int :  4 Bytes        long :  4 Bytes   long long :  8 Bytes       float :  4 Bytes      double :  8 Bytes long double : 12 Bytes       void* :  4 Bytes       char* :  4 Bytes        int* :  4 Bytes  StructNull :  0 Byte StructNull* :  4 Bytes這些內(nèi)容不用記住，不同平臺(tái)是不一樣的，使用之前，一定要親自測(cè)試驗(yàn)證下。
這里先解釋下“模數(shù)”的概念：
每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù))。
接著看網(wǎng)上流傳一個(gè)表：

平臺(tái)	長(zhǎng)度/模數(shù)	char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32	長(zhǎng)度	1	2	4	4	4	8	8	8
模數(shù)	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	長(zhǎng)度	1	2	4	4	4	8	8	12
模數(shù)	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	長(zhǎng)度	1	2	4	8	4	8	8	16
模數(shù)	1	2	4	8	4	8	8	16

本文的的例子我用的是MinGW32的GCC來(lái)測(cè)試，你猜符合上表的哪一項(xiàng)？
別急，再看一個(gè)例子：

    typedef struct     {        int e_int;        double e_double;    }S11;    S11 s11;    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_int);    STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s11, e_double);結(jié)果是：

  s11 size = 16        s11.e_int addr: 0028FF18, offset:  0  s11 size = 16     s11.e_double addr: 0028FF20, offset:  8很明顯，上表沒有一項(xiàng)完全對(duì)應(yīng)得上的。簡(jiǎn)單匯總以下我測(cè)試的結(jié)果：

長(zhǎng)度/模數(shù)	char	short	int	long	float	double	long long	long double
長(zhǎng)度	1	2	4	4	4	8	8	12
模數(shù)	1	2	4	4	4	8	8	8

所以，再?gòu)?qiáng)調(diào)一下：因?yàn)榄h(huán)境的差異，在你參考使用之前，請(qǐng)自行測(cè)試一下。
其實(shí)，這個(gè)模數(shù)是可以改變的，可以用預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來(lái)改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對(duì)齊系數(shù)”。例如

#pragma pack(1)typedef struct {    char e_char;    long double e_ld;}S14;#pragma pack()想知道結(jié)構(gòu)圖元素內(nèi)存如何對(duì)齊，其實(shí)非常簡(jiǎn)單。
其實(shí)，你只需知道當(dāng)前你使用的這個(gè)系統(tǒng)的基本類型的sizeof是多少，然后根據(jù)這個(gè)大小做對(duì)齊排布。例如，本文一開始的例子：

    typedef struct     {        int e_int;        char e_char1;        char e_char2;    }S2;
    typedef struct     {        char e_char1;        int e_int;        char e_char2;    }S3;    S2 s2;    S3 s3;32位系統(tǒng)中，它們內(nèi)存是這么對(duì)齊的：

簡(jiǎn)單解釋下：
S2中的元素e_int是按4字節(jié)對(duì)齊的，其地址位4整數(shù)倍，而e_char1和e_char2就按1字節(jié)對(duì)齊，緊跟其后面就可以了；
而S3中的元素e_char1是按1字節(jié)對(duì)齊的，放在最前面，而e_int是按4字節(jié)對(duì)齊的，其地址位4整數(shù)倍，所以，只能找到個(gè)+4的位置，緊接著e_char2就按1字節(jié)對(duì)齊，跟其后面就可以了。
那么sizeof(s2)和sizeof(s3)各是多少怎么算？
也很簡(jiǎn)單，例如這個(gè)32位系統(tǒng)，為了提高執(zhí)行效率，編譯器會(huì)讓數(shù)據(jù)訪問以4字節(jié)為單位的，所以S2里有2個(gè)字節(jié)留空，即sizeof(s2)=8，而sizeof(s3)=12。
是不是很簡(jiǎn)單呢！
接著，來(lái)個(gè)復(fù)雜一點(diǎn)的：

    typedef struct     {        char e_char1;        short e_short;        char e_char2;        int e_int;        char e_char3;    }S4;    S4 s4;其內(nèi)存分布如下：

按上面的方法，也不難理解。e_int是不能從+5位置開始的，因?yàn)?5不是int的對(duì)齊位置，用int去訪問+5位置是效率很低或者有問題的，所以它只能從+8位置開始。
再?gòu)?fù)雜一點(diǎn)的呢？來(lái)看看union和struct結(jié)合的例子：

    typedef struct    {        int e_int1;         union        {            char ue_chars[9];             int ue_int;        }u;        double e_double;         int e_int2;     }SU2;    SU2 su2;  得到：

為什么這樣呢？
你這樣想，要時(shí)刻想著CPU訪問數(shù)據(jù)的效率，如果union里的元素類型不一樣，那就以最大長(zhǎng)度的那個(gè)類型對(duì)齊了。另外，還有結(jié)構(gòu)體套著結(jié)構(gòu)體的情況了：

typedef struct     {        int e_int;        char e_char;    }S1;   typedef struct     {        S1 e_s;        char e_char;    }SS1;
    typedef struct     {        short e_short;        char e_char;    }S6;
    typedef struct     {        S6 e_s;        char e_char;    }SS2;   
得出結(jié)果：

得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)體內(nèi)的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體內(nèi)的元素并不會(huì)和結(jié)構(gòu)體外的元素合并占一個(gè)對(duì)齊單元。
只要技術(shù)上面的對(duì)齊方法，這些都不難理解。
如果你非要一些規(guī)則的話，我總結(jié)成這樣：首先，不推薦記憶這些條條框框的文字，以下內(nèi)容僅供參考：

結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小，并非其內(nèi)部元素大小之和；

結(jié)構(gòu)體變量的起始地址，可以被最大元素基本類型大小或者模數(shù)整除；

結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對(duì)齊，按照其內(nèi)部最大元素基本類型或者模數(shù)大小對(duì)齊；

模數(shù)在不同平臺(tái)值不一樣，也可通過#pragma pack(n)方式去改變；

如果空間地址允許，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部元素會(huì)拼湊一起放在同一個(gè)對(duì)齊空間；

結(jié)構(gòu)體內(nèi)有結(jié)構(gòu)體變量元素，其結(jié)構(gòu)體并非展開后再對(duì)齊；

union和bitfield變量也遵循結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊原則。
[/ol]其實(shí)，這些都沒必要去記，多思考多理解就OK了。唯一需要記得是某系統(tǒng)平臺(tái)下的基本類型的sizeof大小，然后按照對(duì)齊原則來(lái)就可以了，就是時(shí)刻想著CPU要提升數(shù)據(jù)訪問效率的。
更多的案例，很早寫在《圖文并茂，一文講透C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊》這個(gè)文章里面了，感興趣的小伙伴可以研究下。
里面涉及到很多測(cè)試源碼，如果想要獲取的話，可以關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)"struct"即可獲得下載鏈接。