對結(jié)構(gòu)體的對齊理解上有點偏差

最近看到一些朋友在交流結(jié)構(gòu)體對齊方面的一些問題，從他們的交談中隱隱約感覺有幾個朋友對結(jié)構(gòu)體成員的對齊理解上有點偏差，不能說完全不對吧，畢竟這是老生常談的問題了~

1、變量與內(nèi)存

首先我們要明確，在嵌入式C語言中變量是什么？其實所謂的變量就是一小段內(nèi)存。

當(dāng)你隨心所欲的在C程序中定義著各種變量，有沒有想過他們是如何被安排到相應(yīng)內(nèi)存上的?

好吧，其實他們是怎么安排的，并不需要程序員太多的操心，這個映射過程都是編譯器自動給大家分配的，(可以借助動態(tài)內(nèi)存的角度去看待這個分配問題)，因為大部分變量在一定內(nèi)存區(qū)域上是可以任意選擇地址的，比如你定義一個全局的int gVar 變量，在不進(jìn)行特殊指定內(nèi)存位置的情況下，其編譯后所分配的內(nèi)存地址并不一定每次都是相同的；當(dāng)然，每次編譯完成便會確定下來，并且程序中對該變量的訪問，均會使用所確定下來的內(nèi)存地址。

既然變量的地址分配過程由編譯器自動完成，但有時候我們想把一些或者某個變量放在固定的內(nèi)存地址處等，此時就需要通過一些語法來告訴編譯器該如何分配這些指定變量內(nèi)存的分配，比如要做復(fù)位數(shù)據(jù)恢復(fù)等。

然而內(nèi)存的對齊問題也是對這些變量分配位置處理的一種方式，通常我們看到的align或者pack等就是來干預(yù)編譯器的這塊處理的。

2、結(jié)構(gòu)體對齊

理解了上面的一個思路，那么我們來分析分析結(jié)構(gòu)體對齊問題。

參考demo：

運行結(jié)果：

以上編譯結(jié)果采用的是32位編譯器，默認(rèn)對齊方式是4個字節(jié)，char類型占據(jù)1個字節(jié)，int占據(jù)4個字節(jié),

下面簡單分析一下結(jié)果:

1、默認(rèn)方式，采用4個字節(jié)對齊，那么char后面需要填充3個字節(jié)，然后存放int類型，所以結(jié)構(gòu)體大小輸出為8。

2、1字節(jié)對齊方式，直接緊湊排列，很多人也叫不進(jìn)行對齊處理，所以輸出結(jié)果是5。

3、2字節(jié)對齊方式，其實和4個字節(jié)對齊是類似的，char按照2字節(jié)對齊，所以后面需要填充一個字節(jié)，這樣int才能以兩字節(jié)對齊排布，此時整個結(jié)構(gòu)體占據(jù)6個字節(jié)。

4、4字節(jié)對齊方式與默認(rèn)對齊方式一致，最后看看8字節(jié)對齊，此時char類型與int類型完全能夠被8個字節(jié)容納，而該結(jié)構(gòu)體最大數(shù)據(jù)類型是4個字節(jié)，所以char后面會預(yù)留3個字節(jié)，進(jìn)行4字節(jié)對齊，然后放置int類型，此時與4字節(jié)對齊是一致的。那么一些朋友會問，是不是在上面的8字節(jié)例子中再加入一個char類型的成員，整個結(jié)構(gòu)體就會占據(jù)16個字節(jié)了呢？

其輸出結(jié)果如下:

結(jié)構(gòu)體所占據(jù)的字節(jié)是12個，那是不是認(rèn)為8字節(jié)對齊沒有意義呢？我們再看一個實驗:

此時double占據(jù)了8個字節(jié)，按照前面的思路應(yīng)該是4+8+4，應(yīng)該最終結(jié)構(gòu)體的大小是16個字節(jié)，而結(jié)果顯示:

輸出結(jié)果顯示24=8+8+8的形式，大家也可以直接采用打印結(jié)構(gòu)體成員地址的辦法查看是幾個字節(jié)對齊，有點暈，到底編譯器這一塊是怎么處理的呢？結(jié)論是：對齊字節(jié)數(shù) = min<當(dāng)前指定的pack值，最大成員所占字節(jié)大小>。

很多朋友其實研究到這個階段基本上就沒有再繼續(xù)探究了~嵌入式C語言一定要跟硬件結(jié)合理解~

3、內(nèi)存對齊

其實所謂的結(jié)構(gòu)體對齊，并不是簡單的1個字節(jié)、兩個字節(jié)等多個字節(jié)的排列組合，而是在對應(yīng)對齊地址上分布。首先對齊需要解決的問題是什么 ? 即為啥需要對齊？

提高內(nèi)存的訪問效率，也可以說是受CPU等硬件方面的限制，按照特定的對齊地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問要快于跨非對齊地址的內(nèi)存訪問；并且有些平臺僅支持對齊方式訪問，非對齊方式會直接運行錯誤。

為了加快相關(guān)數(shù)據(jù)的正確訪問，編譯器會把相關(guān)的變量盡量的放到對齊的地址上，也就是默認(rèn)的對齊方式，比如CPU在偶數(shù)地址上訪問比較快，那么就會采用2個字節(jié)對齊的方式。
所以結(jié)構(gòu)體內(nèi)部成員并不是簡單成員字節(jié)個數(shù)的對齊拼湊，而是讓結(jié)構(gòu)體成員落在對齊的地址上以便訪問。如下圖所示，當(dāng)進(jìn)行2字節(jié)對齊，如果只是簡單的拼湊，兩種分布都是可以的，但是左側(cè)才是正確的2字節(jié)對齊方式，char成員變量的地址是2，int變量的地址是4，均為2字節(jié)的倍數(shù)。

總結(jié)一下: 結(jié)構(gòu)體對齊不再是簡單的字節(jié)個數(shù)的拼湊，而是要與內(nèi)存地址進(jìn)行掛鉤~一般我們也可以理解為內(nèi)存地址分配是多少字節(jié)的倍數(shù)，就是多少直接對齊~


審核編輯：劉清