面试题：C语言结构体成员变量的内存布局与选择关系

Question

假设有一个C语言结构体如下：struct { char a; int b; short c; } myStruct; 请分析这个结构体在不同编译器（如GCC和Visual Studio）下的内存布局情况，并说明为什么成员变量的顺序和类型选择会影响内存布局。如果要在保证数据正确存储和访问的前提下，尽量减少内存占用，应如何调整成员变量的顺序？

Answer 1

1. 不同编译器下的内存布局：
   • GCC：
     • 在默认情况下，GCC遵循结构体成员对齐规则。对于struct { char a; int b; short c; } myStruct;，char类型通常占1字节，int类型在32位和64位系统下一般占4字节，short类型占2字节。由于对齐规则，a占1字节后，为了使b能按4字节对齐（int通常按其自身大小对齐），会在a后填充3字节，b占4字节，c占2字节，总共占用1 + 3 + 4 + 2 = 10字节。
   • Visual Studio：
     • Visual Studio同样遵循结构体成员对齐规则。类似地，a占1字节，为使b按4字节对齐，a后填充3字节，b占4字节，c占2字节，总共也是1 + 3 + 4 + 2 = 10字节。不过，Visual Studio有自己的预编译指令（如#pragma pack）可以改变默认的对齐方式。
2. 成员变量顺序和类型选择影响内存布局的原因：
   • 对齐规则：不同类型的变量有不同的对齐要求。这是为了提高CPU访问内存的效率，因为CPU访问内存时通常按特定的字节边界（如2字节、4字节、8字节等）进行读取。例如，int类型在很多系统下按4字节对齐，这意味着它的地址应该是4的倍数。如果结构体成员顺序不合理，就会导致填充字节的出现，增加结构体的总体大小。
   • 类型大小：不同类型的变量占用不同大小的字节数，如char占1字节，int占4字节，short占2字节等。不同的类型组合和顺序会直接影响内存布局和结构体总体大小。
3. 调整成员变量顺序以减少内存占用：
   • 为了尽量减少内存占用，应该按照成员变量大小从小到大的顺序排列。对于上述结构体，可以调整为struct { char a; short c; int b; } myStruct;。此时，a占1字节，c占2字节，c后无需填充，因为b的对齐要求为4字节，a和c总共占3字节，此时再填充1字节使b按4字节对齐，b占4字节，总共占用1 + 2 + 1 + 4 = 8字节，相比于之前的顺序减少了2字节。