C语言教程-C语言中的结构填充

结构填充是C语言中的一个概念，通过在内存地址之间添加一个或多个空字节，来对齐数据在内存中的存储方式。

让我们通过下面的一个简单场景来理解C语言中的结构填充：

假设我们创建了一个自定义结构。当我们创建该结构的对象时，内存会按照结构成员的顺序分配连续的空间。

struct student 
{ 
  char a; 
  char b; 
  int c; 
} stud1; 

在上述示例中，我们创建了一个名为student的结构。我们声明了一个名为stud1的该结构的对象。在创建对象后，结构的各个成员会在内存中连续分配空间。首先，内存将被分配给变量a，然后是变量b，最后是变量c。

结构体student的大小是多少？

现在，我们来计算结构体student的大小。我们假设int类型的大小为4字节，char类型的大小为1字节。

struct student 
{ 
  char a;    // 1字节 
  char b;    // 1字节 
  int c;     // 4字节  
};

在上述情况下，当我们计算结构体student的大小时，结果为6字节。但是这个答案是错误的。现在，我们将了解为什么这个答案是错误的，我们需要理解结构填充的概念。

结构填充

处理器并不是逐个字节地读取数据，而是以一个字（word）为单位进行读取。

什么是一个字（word）？

如果我们使用32位处理器，处理器每次读取4字节，即一个字等于4字节。

1个字 = 4字节

如果我们使用64位处理器，处理器每次读取8字节，即一个字等于8字节。

1个字 = 8字节

因此，我们可以说，32位处理器一次可以读取4字节，64位处理器一次可以读取8字节。这取决于体系结构中字的大小。

为什么需要结构填充？

如果我们使用32位处理器（每次读取4字节），那么上述结构在内存中的表示如下图所示：

我们知道，结构体在内存中占用连续的空间，如上图所示，变量a占用1字节，变量b占用1字节，变量c占用4字节。在这种情况下，我们会遇到什么问题呢？

问题是什么？

由于我们考虑的是32位体系结构（每次读取4字节），所以一次只能读取4字节。问题是，变量a的1字节、变量b的1字节和变量c的2字节在一个CPU周期内可以被读取。我们读取char a和char b变量时不会遇到任何问题，因为这两个变量可以在一个CPU周期内被读取。但是，当我们访问int c变量时会遇到问题，因为需要2个CPU周期才能读取完整的c变量值。在第一个CPU周期中，会读取前两个字节，而在第二个CPU周期中，会读取后两个字节。

假设我们只想访问c变量，而不访问a和b变量，访问c变量需要两个周期。c变量占用4字节，所以也可以在一个周期内访问完。但在这种情况下，却使用了两个周期。这是对CPU周期的不必要浪费。因此，引入了结构填充的概念，以节省CPU周期。结构填充由编译器自动完成。接下来，我们将看看结构填充是如何进行的。

结构填充是如何进行的？

为了实现结构填充，在上图中，会在左侧创建一个空行，并将左侧被c变量占用的两个字节向右移动。这样，c变量的所有四个字节都位于右侧。现在，c变量可以在一个CPU周期内访问。结构填充后，结构体占用的总内存为8字节（1字节+1字节+2字节+4字节），比之前的内存占用更多。虽然在这种情况下浪费了一些内存，但变量可以在一个周期内访问。

下面是一个创建结构体的简单程序示例：

#include <stdio.h> 

struct student 
{ 
  char a; 
  char b; 
  int c; 
}; 

int main() 
{ 
  struct student stud1; // 声明类型为student的变量 
  // 显示结构体student的大小 
  printf("The size of the student structure is %d", sizeof(stud1)); 
  return 0; 
}

在上述代码中，我们创建了一个名为student的结构体。在main()函数内部，我们声明了一个类型为student的变量stud1，然后使用sizeof()运算符计算了student的大小。由于存在结构填充的概念，所以输出结果为8字节，这已经在前面进行了讨论。

输出结果

改变变量的顺序

现在，我们来看看当改变变量的顺序时会发生什么，这是否会影响程序的输出。考虑下面的程序：

#include <stdio.h> 

struct student 
{ 
  char a; 
  int b; 
  char c; 
}; 

int main() 
{ 
  struct student stud1; // 声明类型为student的变量 
  // 显示结构体student的大小 
  printf("The size of the student structure is %d", sizeof(stud1)); 
  return 0; 
}

上述代码与前面的代码相似，唯一的改变是structure student中变量的顺序。由于顺序的改变，两种情况下的输出将不同。在前面的情况下，输出结果为8字节，但在此情况下，输出结果为12字节，如下面的截图所示。

输出结果

现在，我们需要理解为什么在这种情况下输出结果不同。

• 首先，内存被分配给变量a，即1字节。
  
• 然后，内存将被分配给变量b。由于int变量占用4字节，但左侧只有3字节可用。在这3字节上创建一个空行，使得int变量占用剩余的4字节，以便可以在一个CPU周期内访问整个整数变量。
  
• 最后，内存将被分配给变量c。每次CPU可以访问1个字，即4字节，所以CPU将使用4字节来访问c变量。因此，所需的总内存为12字节（4字节+4字节+4字节），即需要4字节来访问char a变量，4字节来访问int b变量，还需要4字节来访问char c变量的一个字符。
  

如何避免C语言中的结构填充？

结构填充是编译器自动完成的内置过程。有时需要避免结构填充，因为它会使结构体的大小大于结构体成员的大小。

我们可以通过两种方式避免C语言中的结构填充：

• 使用#pragma pack(1)指令
• 使用属性

使用#pragma pack(1)指令

#include <stdio.h> 
#pragma pack(1) 
struct base 
{ 
  int a; 
  char b; 
  double c; 
}; 
int main() 
{ 
  struct base var; // 声明类型为base的变量
  // 显示结构体base的大小
  printf("The size of the var is : %d", sizeof(var)); 
  return 0; 
}

在上面的代码中，我们使用#pragma pack(1)指令来避免结构填充。如果我们不使用该指令，那么上述程序的输出结果将为16字节。但实际上结构体成员的大小为13字节，所以有3字节浪费掉了。为了避免内存浪费，我们使用#pragma pack(1)指令提供1字节对齐。

输出结果

• 使用属性

#include <stdio.h> 

struct base 
{ 
  int a; 
  char b; 
  double c; 
}__attribute__((packed)); 

int main() 
{ 
  struct base var; // 声明类型为base的变量
  // 显示结构体base的大小
  printf("The size of the var is : %d", sizeof(var)); 

  return 0; 
}

输出结果