面试题：C++ 中 struct 和 union 在复杂嵌套结构及内存对齐优化中的应用

Question

考虑以下复杂的C++ 结构体和联合体嵌套的情况： ```cpp struct InnerS { short s1; char c1; }; union InnerU { long l1; InnerS s2; }; struct OuterS { InnerU u1; double d1; InnerS s3; }; ``` 1. 计算 `sizeof(InnerS)`、`sizeof(InnerU)` 和 `sizeof(OuterS)`。 2. 解释内存对齐规则是如何在这些嵌套结构中起作用的，特别是 `union` 嵌套在 `struct` 中的情况。 3. 提出一种优化内存布局的方案，使得 `OuterS` 的大小尽可能小，同时保持数据访问的正确性。

Answer 1

1. 计算大小：
   • sizeof(InnerS)：
     • short 通常为2字节，char 为1字节。在C++ 中，结构体存在内存对齐，假设默认对齐规则（一般是按照最大成员的对齐方式对齐），short 最大，其对齐方式为2字节对齐。InnerS 的成员 s1 占用2字节，c1 占用1字节，为了满足2字节对齐，c1 后面会填充1字节。所以 sizeof(InnerS)=4 字节。
     • sizeof(InnerU)：
       • 联合体的大小是其最大成员的大小。long 通常为4字节（在32位系统）或8字节（在64位系统），假设这里 long 为4字节，InnerS 为4字节。所以 sizeof(InnerU)=4 字节。
     • sizeof(OuterS)：
       • InnerU 为4字节，double 为8字节，InnerS 为4字节。按照内存对齐规则，结构体 OuterS 以 double 的8字节对齐方式对齐。InnerU 占用4字节，double 占用8字节，InnerS 占用4字节，为了满足8字节对齐，InnerU 后面需要填充4字节，InnerS 后面也需要填充4字节。所以 sizeof(OuterS)=24 字节。
2. 内存对齐规则在嵌套结构中的作用：
   • 结构体 InnerS：按照最大成员 short 的2字节对齐方式，char 成员后面填充1字节，使得整个结构体大小为4字节，满足2字节对齐。
   • 联合体 InnerU：联合体所有成员共享同一块内存，大小为最大成员的大小，所以 InnerU 大小为4字节。
   • 结构体 OuterS：以 double 的8字节对齐方式对齐。InnerU 先占用4字节，为了满足8字节对齐，后面填充4字节；double 占用8字节；InnerS 占用4字节，为了满足8字节对齐，后面再填充4字节，最终 OuterS 大小为24字节。当 union 嵌套在 struct 中时，union 的大小就是其最大成员的大小，在整个 struct 中参与内存对齐计算，就如同 union 是一个普通的具有特定大小的成员一样。
3. 优化内存布局方案：
   • 调整成员顺序，将 double 放在开头，因为它是最大的成员，这样可以减少填充字节。修改后的代码如下：

struct InnerS {
    short s1;
    char c1;
};
union InnerU {
    long l1;
    InnerS s2;
};
struct OuterS {
    double d1;
    InnerU u1;
    InnerS s3;
};

• 此时 sizeof(OuterS)：double 占用8字节，InnerU 占用4字节，InnerS 占用4字节，InnerU 和 InnerS 总共8字节，满足8字节对齐，不需要额外填充，所以 sizeof(OuterS)=16 字节。这样通过合理调整成员顺序，在保持数据访问正确性的同时，减小了 OuterS 的大小。