面试题：C语言内存对齐规则及结构体示例

Question

请简述C语言内存对齐的基本规则，并给出一个包含不同数据类型成员的结构体示例，计算该结构体在32位和64位平台下的大小，并说明原因。

Answer 1

C语言内存对齐基本规则

1. 数据成员对齐规则：结构体的每个数据成员，都要按照其自身的对齐模数（alignment modulus）进行对齐。对齐模数一般是数据成员自身大小和默认对齐值（通常由编译器决定，32位平台默认值常为4字节，64位平台默认值常为8字节）中的较小值。例如，一个char类型（1字节）数据成员，其对齐模数为1字节；一个int类型（通常4字节）数据成员，在32位平台对齐模数为4字节，在64位平台，若默认对齐值为8字节，则其对齐模数为4字节。
2. 结构体整体对齐规则：结构体本身也有一个对齐模数，它是结构体中最大数据成员的对齐模数。结构体的大小必须是其对齐模数的整数倍。

结构体示例及大小计算

#include <stdio.h>

// 定义结构体
struct MyStruct {
    char a;
    int b;
    short c;
};

1. 32位平台
   • char a：1字节，对齐模数为1字节。
   • int b：4字节，对齐模数为4字节。a后面需要填充3字节，使得b从4的倍数地址开始。
   • short c：2字节，对齐模数为2字节。b占用4字节后，c从4 + 4 = 8字节处开始。c占用2字节，此时结构体大小为10字节。
   • 结构体整体对齐模数为4字节（int的对齐模数最大），10不是4的整数倍，需要填充2字节，所以结构体大小为12字节。
2. 64位平台
   • char a：1字节，对齐模数为1字节。
   • int b：4字节，对齐模数为4字节。a后面需要填充3字节，使得b从4的倍数地址开始。
   • short c：2字节，对齐模数为2字节。b占用4字节后，c从4 + 4 = 8字节处开始。c占用2字节，此时结构体大小为10字节。
   • 结构体整体对齐模数为4字节（int的对齐模数最大），10不是4的整数倍，需要填充2字节，所以结构体大小同样为12字节。

综上所述，在32位和64位平台下，该结构体MyStruct的大小均为12字节。原因是根据内存对齐规则，结构体成员按各自对齐模数对齐，结构体整体按最大成员对齐模数的整数倍计算大小，通过填充字节来满足这些规则。