面试题：C语言指针访问结构体和联合体区别之底层原理与优化

Question

考虑一个场景，有大量的结构体 `struct data { int num; union { short s; char c[2]; } u; }` 组成的数组。使用指针遍历这个数组，并对每个结构体的联合体成员进行特定操作（例如，如果 `num` 是偶数，将 `u.s` 设为 `num` 的一半；如果 `num` 是奇数，将 `u.c[0]` 设为 `num` 的个位数）。从内存对齐、缓存优化以及指针运算的角度，分析代码的性能瓶颈，并提出优化方案，说明指针访问结构体和联合体在这个优化过程中的关键影响。

Answer 1

性能瓶颈分析

1. 内存对齐：结构体 struct data 由于包含联合体，其内存对齐可能会导致额外的填充字节。例如，假设 int 占 4 字节，short 占 2 字节，char 占 1 字节。如果系统要求内存对齐为 4 字节，那么联合体 u 可能会被填充到 4 字节，这就造成了空间浪费，并且在遍历数组时可能导致更多不必要的内存读取。
2. 缓存优化：大量结构体组成的数组可能会导致缓存命中率低。当遍历数组时，由于缓存的局部性原理，如果结构体大小较大或者内存对齐不合理，可能会使得相邻的结构体不能被很好地缓存。例如，结构体的大小超过了缓存行的大小，就会导致每次访问不同结构体时可能需要重新从内存加载数据到缓存，增加了访问时间。
3. 指针运算：指针在遍历数组时，每次移动指针都需要进行指针运算。如果结构体大小较大，指针运算的开销相对也会增加。例如，指针每次移动的步长是结构体的大小，如果结构体大小为 8 字节，每次指针移动都需要在内存地址上加上 8，这在大量数据遍历中会累积一定的开销。

优化方案

1. 内存对齐优化：调整结构体成员顺序，尽量让占用字节少的成员靠近前面，减少填充字节。例如，如果系统对齐要求是 4 字节，可以将 char c[2] 放在 short s 前面，这样联合体 u 占用 2 字节（不考虑填充），结构体整体大小可能会减小，减少不必要的内存读取。

struct data { 
    int num; 
    union { 
        char c[2]; 
        short s; 
    } u; 
};

2. 缓存优化：对数组进行分块处理，将数据按照缓存行大小进行划分。例如，假设缓存行大小为 64 字节，我们可以一次处理 8 个大小为 8 字节的结构体（假设优化后结构体大小为 8 字节），这样可以提高缓存命中率。同时，可以考虑使用预取指令，在实际访问数据之前提前将数据加载到缓存中。
3. 指针运算优化：在进行指针运算时，可以提前计算好结构体大小并使用常量表达式。例如：

const size_t struct_size = sizeof(struct data);
struct data *ptr = array;
for (int i = 0; i < num_elements; i++) {
    if (ptr->num % 2 == 0) {
        ptr->u.s = ptr->num / 2;
    } else {
        ptr->u.c[0] = ptr->num % 10;
    }
    ptr = (struct data *)((char *)ptr + struct_size);
}

指针访问结构体和联合体在优化过程中的关键影响

1. 指针访问结构体：指针的步长决定了每次移动的距离，优化结构体大小和内存对齐可以减小指针移动的步长，从而减少指针运算开销。同时，合理的指针移动策略（如按照缓存行大小进行分块移动）可以提高缓存命中率。
2. 指针访问联合体：联合体内部成员共享内存，通过指针访问联合体成员时，需要注意内存对齐和类型转换。优化联合体成员顺序不仅可以减少内存浪费，还可以使得指针访问更加高效。例如，将常用的成员放在前面，可能会减少内存访问次数。