面试题：C语言结构体嵌套中的内存对齐与优化

Question

考虑以下结构体嵌套定义： ```c struct SubStruct1 { char c1; int i1; char c2; }; struct SubStruct2 { short s1; struct SubStruct1 sub1; long l1; }; ``` 1. 分析上述结构体嵌套中各个结构体的内存对齐方式，并计算`struct SubStruct2`的大小。 2. 如果希望优化内存布局，使得`struct SubStruct2`占用更少的内存，应该如何调整结构体成员的顺序？请给出优化后的结构体定义，并重新计算其大小。

Answer 1

1. 内存对齐分析与struct SubStruct2大小计算：
   • struct SubStruct1：
     • char c1：占1字节。
     • int i1：通常int占4字节，由于对齐要求（假设以4字节对齐，一般系统int的对齐模数为4），c1后面需填充3字节，i1从4字节边界开始存储，占4字节。
     • char c2：占1字节。
     • struct SubStruct1大小为：1 + 3 + 4 + 1 = 8字节（总大小需是最大成员对齐模数的整数倍，这里最大成员int对齐模数为4，8是4的整数倍）。
   • struct SubStruct2：
     • short s1：占2字节。
     • struct SubStruct1 sub1：占8字节。
     • long l1：假设long占8字节（在64位系统常见），s1和sub1的总大小为2 + 8 = 10字节，需填充6字节，l1从16字节边界开始存储，占8字节。
     • struct SubStruct2大小为：2 + 8 + 6 + 8 = 24字节（总大小需是最大成员对齐模数的整数倍，这里最大成员long对齐模数为8，24是8的整数倍）。
2. 优化内存布局：
   • 优化思路：将成员按照其大小从小到大排列，尽量减少填充字节。
   • 优化后的结构体定义：

struct SubStruct1 {
    char c1;
    char c2;
    int i1;
};

struct SubStruct2 {
    short s1;
    long l1;
    struct SubStruct1 sub1;
};

• 重新计算大小：
  • struct SubStruct1：
    • char c1：占1字节。
    • char c2：占1字节，无需填充。
    • int i1：占4字节，c1和c2共2字节，需填充2字节，i1从4字节边界开始存储，占4字节。
    • struct SubStruct1大小为：1 + 1 + 2 + 4 = 8字节（总大小需是最大成员对齐模数的整数倍，这里最大成员int对齐模数为4，8是4的整数倍）。
  • struct SubStruct2：
    • short s1：占2字节。
    • long l1：占8字节，s1需填充6字节，l1从8字节边界开始存储，占8字节。
    • struct SubStruct1 sub1：占8字节，无需填充。
    • struct SubStruct2大小为：2 + 6 + 8 + 8 = 24字节（总大小需是最大成员对齐模数的整数倍，这里最大成员long对齐模数为8，24是8的整数倍）。 在这种情况下，虽然成员顺序调整，但由于long的对齐要求，整体大小未变。若系统中long占4字节：
• 优化后的结构体定义：

struct SubStruct1 {
    char c1;
    char c2;
    int i1;
};

struct SubStruct2 {
    short s1;
    struct SubStruct1 sub1;
    long l1;
};

• 重新计算大小：
  • struct SubStruct1：同上述分析，大小为8字节。
  • struct SubStruct2：
    • short s1：占2字节。
    • struct SubStruct1 sub1：占8字节。
    • long l1：占4字节，s1和sub1总大小为2 + 8 = 10字节，需填充2字节，l1从12字节边界开始存储，占4字节。
    • struct SubStruct2大小为：2 + 8 + 2 + 4 = 16字节（总大小需是最大成员对齐模数的整数倍，这里最大成员int和long对齐模数为4，16是4的整数倍）。