C语言对齐问题，含结构体、栈内存以及位域对齐资源-CSDN文库

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C 语言对齐问题，含结构体、栈内存以及位域

对齐

引言

考虑下面的结构体定义：

假设这个结构体的成员在内存中是紧凑排列的，且 c1 的起始地址是 0，则 s 的地址就是 1，

c2 的地址是 3，i 的地址是 4。

现在，我们编写一个简单的程序：

运行后输出：

为什么会这样?这就是字节对齐导致的问题。

本文在参考诸多资料的基础上，详细介绍常见的字节对齐问题。因成文较早，资料来源大多

已不可考，敬请谅解。

一,什么是字节对齐

现代计算机中，内存空间按照字节划分，理论上可以从任何起始地址访问任意类型的变量。

但实际中在访问特定类型变量时经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一

定的规则在空间上排列，而不是顺序一个接一个地存放，这就是对齐。

二,对齐的原因和作用

不同硬件平台对存储空间的处理上存在很大的不同。某些平台对特定类型的数据只能从特定

地址开始存取，而不允许其在内存中任意存放。例如 Motorola 68000 处理器不允许 16 位的

字存放在其地址，否则会触发异常，因此在这种架构下编程必须保证字节对齐。

但最常见的情况是，如果不按照平台要求对数据存放进行对齐，会带来存取效率上的损失。

比如 32 位的 Intel 处理器通过总线访问(包括读和写)内存数据。每个总线周期从偶地址开始

访问 32 位内存数据，内存数据以字节为单位存放。如果一个 32 位的数据没有存放在 4 字

节整除的内存地址处，那么处理器就需要 2 个总线周期对其进行访问，显然访问效率下降

很多。

因此，通过合理的内存对齐可以提高访问效率。为使 CPU 能够对数据进行快速访问，数据

的起始地址应具有“对齐”特性。比如 4 字节数据的起始地址应位于 4 字节边界上，即起始地

址能够被 4 整除。

此外，合理利用字节对齐还可以有效地节省存储空间。但要注意，在 32 位机中使用 1 字节

或 2 字节对齐，反而会降低变量访问速度。因此需要考虑处理器类型。还应考虑编译器的

类型。在 VC/C++和 GNU GCC 中都是默认是 4 字节对齐。

三,对齐的分类和准则

主要基于 Intel X86 架构介绍结构体对齐和栈内存对齐，位域本质上为结构体类型。

对于 Intel X86 平台，每次分配内存应该是从 4 的整数倍地址开始分配，无论是对结构体变

量还是简单类型的变量。

3.1 结构体对齐

在 C 语言中，结构体是种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型(如 int、long、

float 等)的变量，也可以是一些复合数据类型(如数组、结构体、联合等)的数据单元。编译

器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各成员按照它们被声明的顺序

在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

字节对齐的问题主要就是针对结构体。

以此分析 3.1.1 节中的结构体 B：

假设 B 从地址空间 0x0000 开始存放，且指定对齐值默认为 4(4 字节对齐)。成员变量 b 的

自身对齐值是 1，比默认指定对齐值 4 小，所以其有效对齐值为 1，其存放地址 0x0000 符

合 0x0000%1=0。成员变量 a 自身对齐值为 4，所以有效对齐值也为 4，只能存放在起始地

址为 0x0004~0x0007 四个连续的字节空间中，符合 0x0004%4=0 且紧靠第一个变量。变

量 c 自身对齐值为 2，所以有效对齐值也是 2，可存放在 0x0008~0x0009 两个字节空间中，

符合 0x0008%2=0。所以从 0x0000~0x0009 存放的都是 B 内容。

再看数据结构 B 的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是 b)所以就是 4，所以结构体的

有效对齐值也是 4。根据结构体圆整的要求，0x0000~0x0009=10 字节，(10+2)%4=0。所

以 0x0000A~0x000B 也为结构体 B 所占用。故 B 从 0x0000 到 0x000B 共有 12 个字节，

sizeof(struct B)=12。

之所以编译器在后面补充 2 个字节，是为了实现结构数组的存取效率。试想如果定义一个

结构 B 的数组，那么第一个结构起始地址是 0 没有问题，但是第二个结构呢?按照数组的定

义，数组中所有元素都紧挨着。如果我们不把结构体大小补充为 4 的整数倍，那么下一个

结构的起始地址将是 0x0000A，这显然不能满足结构的地址对齐。因此要把结构体补充成

有效对齐大小的整数倍。其实对于

char/short/int/float/double 等已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的，只是因为这些类

型的长度已知，所以他们的自身对齐值也就已知。

上面的概念非常便于理解，不过个人还是更喜欢下面的对齐准则。

结构体字节对齐的细节和具体编译器实现相关，但一般而言满足三个准则：

(1)结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除;

(2)结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍，如有需要编

译器会在成员之间加上填充字节(internal adding);

(3)结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一

个成员之后加上填充字节{trailing padding}。

对于以上规则的说明如下:

(1)编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存

地址能被该基本数据类型所整除的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型

的大小作为上面介绍的对齐模数。

(2)为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体

首地址的偏移是否是本成员大小的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一

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