↑點擊上方藍色字體，關注“嵌入式軟件實戰派”獲得更多精品干貨。

(以下有約5000字內容，建議收藏再讀，推薦下載源碼自行測試以加深理解。)

面試官：你知道C語言的結構體對齊嗎？?

應聘者：聽說過……平時很少關注?

……

面試官：好吧，那回去等通知吧?

C語言結構體對齊問題，是面試必備問題。本文，除了用圖解的方式講清楚結構體知識點外，還將為你解答以下問題：

• 為什么會有結構體內存對齊？
• 結構體怎么對齊？
• 學習結構體對齊有什么用？
• 結構體對齊有沒有實際應用？

---

▍結構體內存對齊的原因一句話，為了提高效率，這個跟芯片設計有關。自從我們剛學習編程開始，就會接觸到例如字、雙字、四字等概念這里涉及到內存邊界問題，它們的地址分別是可被2/4/8整除的。另外，在匯編中，不同長度的內存訪問會用到不同的匯編指令。如果，一塊內存在地址上隨便放的，CPU有可能就會用到多條指令來訪問，這就會降低效率。對于32位系統，如下圖的A可能需要2條指令訪問，而B只需1條指令。

---

▍結構體內存對齊的規則1. C語言基本類型的大小不要瞎猜，直接上代碼。每個平臺都不一樣，請讀者自行測試，以下我是基于Windows上MinGW的GCC測的。#define?BASE_TYPE_SIZE(t)???printf("%12s?:?%2d?Byte%s\n",?#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這些內容不用記住，不同平臺是不一樣的，使用之前，一定要親自測試驗證下，但是可以總結出以下信息：

• void類型不是空的，占一個字節

• long不一定比int大

• C語言空結構體的大小為0(注意：C++的為1)

• 不管什么類型，指針都是相同大小的

2. C語言結構體的內存對齊我先看個例子：#define offset(type, member) (size_t)&(((type *)0)->member)#define?STRUCT_E_ADDR(s,e)??????????printf("%5s?size?=?%2d?%16s?addr:?%p\n",?#s,?sizeof(s),?#s"."#e,?&s.e)#define STRUCT_E_OFFSET(s,e) printf("%5s size = %2d %16s offset: %2d\n", #s, sizeof(s), #s"."#e, offset(__typeof__(s),e))#define STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s,e) printf("%5s size = %2d %16s addr: %p, offset: %2d\n", #s, sizeof(s), #s"."#e, &s.e, offset(__typeof__(s),e))typedef struct { int e_int; char e_char;}S1;S1?s1;STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s1, e_int);STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s1, e_char);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);咦……這宏定義是啥意思？傳送門：《基于C99規范，最全C語言預處理知識總結》輸出結果： s1 size = 8 s1.e_int addr: 0028FF28, offset: 0 s1 size = 8 s1.e_char addr: 0028FF2C, offset: 4 s11 size = 16 s11.e_int addr: 0028FF18, offset: 0 s11 size = 16 s11.e_double addr: 0028FF20, offset: 8結論1：一般情況下，結構體所占的內存大小并非元素本身大小之和。結論2：不嚴謹地，結構體內存的大小按最大元素大小對齊。繼續看例子： typedef struct { int e_int; long double e_ld; }S12; typedef struct { long long e_ll; long double e_ld; }S13; typedef struct { char e_char; long double e_ld; }S14;????S12?s12; S13 s13; S14 s14; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s12, e_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s12, e_ld); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s13, e_ll); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s13, e_ld); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s14, e_char); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s14, e_ld);輸出結果： s12 size = 16 s12.e_int addr: 0028FF08, offset: 0 s12 size = 16 s12.e_ld addr: 0028FF0C, offset: 4 s13 size = 24 s13.e_ll addr: 0028FEF0, offset: 0 s13 size = 24 s13.e_ld addr: 0028FEF8, offset: 8 s14 size = 16 s14.e_char addr: 0028FEE0, offset: 0 s14 size = 16 s14.e_ld addr: 0028FEE4, offset: 4出現問題了，你看s12和s14，sizeof(long long)應該是12，按結論而推斷sizeof(s12)和sizeof(s13)應該都是24。這里跟平臺和編譯器的一個模數有關。對結論2修正：結構體內存大小應按最大元素大小對齊，如果最大元素大小超過模數，應按模數大小對齊。額外再送一條結論：如果結構體的最大元素大小超過模數，結構體的起始地址是可以被模數整除的。如果，最大元素大小沒有超過模數大小，那它的起始地址是可以被最大元素大小整除。那么，這個模數是什么？

每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊系數”(也叫對齊模數)。

網上流傳一個表：

平臺	長度/模數	char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32	長度	1	2	4	4	4	8	8	8
	模數	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	長度	1	2	4	4	4	8	8	12
	模數	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	長度	1	2	4	8	4	8	8	16
	模數	1	2	4	8	4	8	8	16

本文的的例子我用的是MinGW32的GCC來測試，你猜符合上表的哪一項？別急，再看一個例子： 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，上表沒有一項完全對應得上的。簡單匯總以下我測試的結果：

長度/模數	char	short	int	long	float	double	long long	long double
長度	1	2	4	4	4	8	8	12
模數	1	2	4	4	4	8	8	8

所以，再強調一下：因為環境的差異，在你參考使用之前，請自行測試一下。另外，提一下：這個模數是可以改變的，可以用預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊系數”。例如#pragma pack(1)typedef struct { char e_char; long double e_ld;}S14;#pragma pack()#pragma是啥玩意？有興趣可以看看：《基于C99規范，最全C語言預處理知識總結》好了，我們繼續，這似乎沒啥技術含量，我們提升下難度： 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;你覺得這倆結構體所占內存是一樣大嗎？那你就錯了： s2 size = 8 s2.e_int addr: 0028FED4, offset: 0 s2 size = 8 s2.e_char1 addr: 0028FED8, offset: 4 s2 size = 8 s2.e_char2 addr: 0028FED9, offset: 5 s3 size = 12 s3.e_char1 addr: 0028FEC4, offset: 0 s3 size = 12 s3.e_int addr: 0028FEC8, offset: 4 s3 size = 12 s3.e_char2 addr: 0028FECC, offset: 8why？上個圖先看看，它們內存是怎么對齊的：

我們套一遍那幾條結論就可以知道：理解按最大元素大小或模數對齊，就可以看到S2的內存分布；對于S3，e_int的位置地址，肯定是要按int的大小對齊的(地址可被int大小整除)，這樣才能提高訪問效率。同時，這導致了很大的內存浪費。以上例子，我們看到挨在一起的兩個char會放在同一個對齊單元，如果挨在一起的short和char會不會放一起？ typedef struct { char e_char1; short e_short; char e_char2; int e_int; char e_char3; }S4; S4 s4; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_short); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char2); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(s4, e_char3);輸出結果： s4 size = 16 s4.e_char1 addr: 0028FEB4, offset: 0 s4 size = 16 s4.e_short addr: 0028FEB6, offset: 2 s4 size = 16 s4.e_char2 addr: 0028FEB8, offset: 4 s4 size = 16 s4.e_int addr: 0028FEBC, offset: 8 s4 size = 16 s4.e_char3 addr: 0028FEC0, offset: 12

得出一個經驗：我們在定義結構體的時候，盡量把大小相同或相近的元素放一起，以減少結構體占用的內存空間。再來一個問題：結構體套著另一個結構體怎么計算？ 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;?????????SS1?ss1;????STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss1, e_s); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss1, e_char); SS2 ss2; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss2, e_s); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ss2, e_char);輸出結果： ss1 size = 12 ss1.e_s addr: 0028FE94, offset: 0 ss1 size = 12 ss1.e_char addr: 0028FE9C, offset: 8 ss2 size = 6 ss2.e_s addr: 0028FE8E, offset: 0 ss2 size = 6 ss2.e_char addr: 0028FE92, offset: 4

得出結論：結構體內的結構體，結構體內的元素并不會和結構體外的元素合并占一個對齊單元。溫馨提示：大家不要刻意去記這些結論，動手去試試并思考下效果會更好。3. 聯合體union的內存對齊直接上代碼： typedef union { char e_char; int e_int; }U1; U1 u1; STRUCT_E_ADDR(u1, e_char); STRUCT_E_ADDR(u1, e_int);輸出結果： u1 size = 4 u1.e_char addr: 0028FF2C u1 size = 4 u1.e_int addr: 0028FF2C從教科書上，我都可以理解，聯合體里面的元素，實際上共享同一個空間。

那么，union跟struct結合呢？

typedef struct { int e_int1; union { char ue_chars[9]; int ue_int; }u; double e_double; int e_int2; }SU2; SU2 su2;????STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2,?e_int1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, u.ue_chars); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, u.ue_int); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2, e_double);????STRUCT_E_ADDR_OFFSET(su2,?e_int2)

輸出：

su2 size = 32 su2.e_int1 addr: 0028FEF8, offset: 0 su2 size = 32 su2.u.ue_chars addr: 0028FEFC, offset: 4 su2 size = 32 su2.u.ue_int addr: 0028FEFC, offset: 4 su2 size = 32 su2.e_double addr: 0028FF08, offset: 16 su2 size = 32 su2.e_int2 addr: 0028FF10, offset: 24

實際上跟結構體類似，也沒有特別的規則。

順便提一下，使用union時，要留意平臺的大小端問題。

大端模式，是指數據的高字節保存在內存的低地址中，而數據的低字節保存在內存的高地址中，這樣的存儲模式有點兒類似于把數據當作字符串順序處理：地址由小向大增加，而數據從高位往低位放；這和我們的閱讀習慣一致。?

小端模式，是指數據的高字節保存在內存的高地址中，而數據的低字節保存在內存的低地址中，這種存儲模式將地址的高低和數據位權有效地結合起來，高地址部分權值高，低地址部分權值低。

百度百科——大小端模式

怎么獲知自己使用的平臺的大小端？Linux有個方法：

static union { char c[4]; unsigned long l; } endian_test = { { 'l', '?', '?', 'b' } }; #define ENDIANNESS ((char)endian_test.l) printf("ENDIANNESS: %c\n", ENDIANNESS);

4. 位域(Bitfield)的相關

位域在本文沒什么好探討的，在結構體對齊方面沒什么特別的地方。

直接看個測試代碼，就可以明白：

void bitfield_type_size(void){ typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; char bf4:3; }SB1; typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; char bf4:7; }SB2; typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; char bf3:1; int bfint:1; }SB3; typedef struct { char bf1:1; char bf2:1; int bfint:1; char bf3:1; }SB4; SB1 sb1; SB2 sb2; SB3 sb3;????SB4?sb4; VAR_ADDR(sb1); VAR_ADDR(sb2); VAR_ADDR(sb3); VAR_ADDR(sb4); typedef struct { unsigned char bf1:1; unsigned char bf2:1; unsigned char bf3:1; unsigned char bf4:3; }SB11; typedef union { SB11 sb1; unsigned char e_char; }UB1; UB1 ub1; STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ub1, sb1); STRUCT_E_ADDR_OFFSET(ub1, e_char); ub1.e_char = 0xF5; BITFIELD_VAL(ub1, e_char); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf1); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf2); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf3); BITFIELD_VAL(ub1, sb1.bf4);}

輸出結果是：

sb1 size = 1 sb1 addr: 0028FF2F sb2 size = 2 sb2 addr: 0028FF2D sb3 size = 8 sb3 addr: 0028FF24 sb4 size = 12 sb4 addr: 0028FF18 ub1 size = 1 ub1.sb1 addr: 0028FF17, offset: 0 ub1 size = 1 ub1.e_char addr: 0028FF17, offset: 0 ub1 : 1 Byte, ub1.e_char=0xF5 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf1=0x1 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf2=0x0 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf3=0x1 ub1 : 1 Byte, ub1.sb1.bf4=0x6

有幾個點需要注意下：

內存的計算單位是byte，不是bit

結構體內即使有bitfield元素，其對齊規則還是按照基本類型來

bitfield元素不能獲得其地址(即程序中不能通過&取址)

5. 規則總結首先，不推薦記憶這些條條框框的文字，以下內容僅供參考：

結構體的內存大小，并非其內部元素大小之和；

結構體變量的起始地址，可以被最大元素基本類型大小或者模數整除；

結構體的內存對齊，按照其內部最大元素基本類型或者模數大小對齊；

模數在不同平臺值不一樣，也可通過#pragma pack(n)方式去改變；

如果空間地址允許，結構體內部元素會拼湊一起放在同一個對齊空間；

結構體內有結構體變量元素，其結構體并非展開后再對齊；

union和bitfield變量也遵循結構體內存對齊原則。

---

▍編程為什么要關注結構體內存對齊也許你會問，結構體愛怎么對齊就怎么對齊，我管它干嘛！1. 節省內存在嵌入式軟件開發中，特別是內存資源匱乏的小MCU，這個尤為重要。如果優化程序內存，使得MCU可以選更小的型號，對于大批量出貨的產品，可以帶來更高利潤。也許你還還感覺不到，上段代碼： 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[1024] = {0}; S3 s3[1024] = {0};s2的大小為8K，而s3的大小為12K，一放大，就有很明顯的區別了。2. union的內存對齊需要對于同一個內存，有時為了滿足不同的訪問形式，定義一個聯合體變量，或者一個結構體和聯合體組合的變量。此時就要知道其內存結構是怎么分布的。3. 內存拷貝

有時候，我們在通信數據接收處理時候，往往遇到，數組和結構體的搭配。

即，通信時候，通常使用數組參數形式接收，而處理的時候，按照預定義格式去訪問處理。例如：

U8 comm_data[10];typedef?struct{ U8 id; U16 len; U8 data[6];}FRAME;FRAME* pFram = (FRAME*)comm_data;此處，必須要理解這個FRAM的內存結構是怎么樣的對齊規則。4. 調試仿真時看壓棧數據在調試某些奇葩問題時，迫不得已，我們會研究函數跳轉或者線程切換時的棧數據，遇到結構體內容，肯定要懂得其內存對齊方式才能更好地獲得棧內信息。當然，還有其他方面的原因，在此就不一一列舉了。

---

▍結構體內存對齊實際應用上面一個章節已經部分講到這個結構體內存對齊的應用了，例如通信數據的處理等。另外，再舉兩個例子：1. 內存的mapping假設你要做一個燒錄文件，你想往文件頭空間128個字節內放一段項目信息(例如程序大小、CRC校驗碼、其他項目信息等)。第一反應，你會考慮用一個結構體，定義一段這樣的數據，程序運行的時候也定義同樣的結構體去讀取這個內存。但是你需要知道結構體大小啊，這個結構體內存對齊的規則還是需要了解的。2. 單片機寄存器的mapping在寫MCU驅動的時候，訪問寄存器的方式有很多種，但是做到清晰明了，適配性好的，往往需要諸多考量。直接通過整型指針指到特定地址去訪問，是沒有問題的，但是對于某一類型的寄存器，往往不是一個固定地址，其后面還有一堆子寄存器屬性需要配置。每個地址都通過整型指針訪問，那就很多很凌亂。我們可以通過定義一個特定的結構體，用其指針直接mapping到寄存器的base地址。但是遇到有些地址是空的怎么辦？甚至有些寄存器是32位的，有些16位，甚至8位的，各種參差不齊都在里面。那就要考慮結構體內存對齊了，特別是結構體內有不同類型的元素。

這里只探討應用場景，具體實現還要根據實際情況來定義。

---

▍測試源碼

篇幅有限，此處不貼完整的源碼了。

如果想要獲取源碼，關注公眾號，回復"struct"即可獲得下載鏈接。

往期精彩內容推薦>>>

孔乙己：main函數有四樣寫法

基于C99規范，最全C語言預處理知識總結

圖解棧(Stack)與隊列(Queue)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的c语言 char转int_图文并茂，一文讲透C语言结构体内存对齐的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。