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如何判断C语言结构体所占的内存大小

两分钱 2023-03-28 原文

1 预备知识

1.1 变量所占内存

  (1)32位操作系统:

    char : 1    int :4   short : 2   unsigned int : 4    long : 4    unsigned long : 4    long long : 8     float : 4    double : 8    指针 : 4

  (2)64位操作系统

    char : 1    int :4   short : 2   unsigned int : 4    long : 8    unsigned long : 8    long long : 8     float : 4    double : 8    指针 : 8

1.2 内存对齐

例1:

#include<stdio.h> 
#include<string.h>
int main(void){
   
   char a;
   int b;
   int c;
   printf("a=%d\n",&a);
   printf("b=%d\n",&b);
   printf("c=%d\n",&c);
}

分析:char 所占1字节,int 所占4字节,假设起始内存为00000,那么a的起始地址为00000,b的起始地址00001,c的起始地址00005,总体所占内存大小为9字节。

通过编译(64b),可以看到a 的起始地址为6487583,b 的起始地址为6487576,c的起始地址为6487572,所占内存大小与分析不符。

原因:CPU每次都是以8字节(64b)或4字节(32b)的整数倍的内存地址中读取数据,如果不以整数倍读取,访问变量时,CPU需要进行多次访问内存操作,增加开销,即内存对齐。

内存对齐:编译器为了优化代码、往往会根据变量的大小将其指定合适的位置。

2、结构体所占内存

  结构体所占内存并不是每个成员所占字节数简单相加,而是遵从内存对齐规则,其成员的内存对齐规则如下:

  (1)每个成员分别按自己的对齐字节数和PPB(指定的对齐字节数,32位机默认为4)两个字节数最小的那个对齐,这样可以最小化长度。如在64bit的机器上,short的大小为2,min(sizeof(short), 8) = 2因此short存储的位置都是2的整数倍的位置开始存储,这个成员应该按照对其参数 min(sizeof(short), 8) = 2字节来对齐,

  (2)复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,结构体数组的时候,可以最小化长度。

  (3)结构体对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数(PPB)的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。

             例2:

struct A(64b)

{

char a;  //内存位置: [0]

double b;  // 内存位置: [8]...[15]

int c;   // 内存位置: [16]...[19]  ----  规则1

};    // 内存大小:sizeof(A) = (1+7) + 8 + (4+4) = 24, 补齐[20]...[23]  ----  规则3

  分析:a占1字节,按规则一,min(sizeof(char), 8) = 1,char 以1的整数倍的位置开始存储.

              b占8字节,按规则一,min(sizeof(double), 8) = 8,double 以8的整数倍的位置开始存储.

              c占4 字节,按规则一,min(sizeof(int), 8) = 4,double 以4的整数倍的位置开始存储.

              那么 b 的起始位置为(1+7),c的起始位置为(1+7+8),因此struct A所占内存大小为24,(结果符合规则三)。

例3:

struct B

{

char a;  //内存位置: [0]

double b;  // 内存位置: [8]...[15]

A  d;

int c;   // 内存位置: [16]...[19]  ----  规则1

};    // 内存大小:sizeof(A) = (1+7) + 8 + (4+4) = 24, 补齐[20]...[23]  ----  规则3

  分析:  a占1字节,按规则一,min(sizeof(char), 8) = 1,a 以1的整数倍的位置开始存储.

             b占8字节,按规则一,min(sizeof(double), 8) = 8,b 以8的整数倍的位置开始存储.

             d占24字节,按规则二. 在64位地址空间中, A占24个字节,所以按照规则一的对齐条件,min(sizeof(A), 8) = 8,d 以8的整数倍的位置开始存储。

             c占4 字节,按规则一,min(sizeof(int), 8) = 4,double 以4的整数倍的位置开始存储.

             那么 b 的起始位置为(1+7),d的起始位置为(1+7+8),c的起始位置为(1+7+8+24),因此struct A所占内存大小为48(结果符合规则三)。

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