面试题：C语言结构体成员访问效率优化之基础知识

Question

在C语言中，结构体成员的访问方式有通过结构体变量名和指针两种方式。请分别说明这两种访问方式在效率上可能存在差异的原因，并举例说明如何优化结构体成员访问效率。

Answer 1

1. 访问方式及效率差异原因
   • 通过结构体变量名访问：
     • 当通过结构体变量名访问成员时，编译器可以在编译期确定成员的偏移量。因为结构体变量在内存中是连续存储的，已知结构体变量的起始地址，根据成员在结构体中的偏移量，就可以直接访问到相应的成员。这种访问方式相对简单直接，效率较高，特别是在局部变量结构体访问时，没有额外的间接寻址开销。
     • 例如：

#include <stdio.h>
struct Point {
    int x;
    int y;
};
int main() {
    struct Point p = {1, 2};
    // 通过结构体变量名访问成员
    printf("x = %d, y = %d\n", p.x, p.y);
    return 0;
}

• 通过结构体指针访问：
  • 通过结构体指针访问成员，首先要获取指针所指向的内存地址，这是一个间接寻址操作。然后再根据结构体成员的偏移量来访问具体的成员。多了一次间接寻址的过程，这在一定程度上会增加时间开销，特别是在频繁访问结构体成员的场景下，效率会略低于通过结构体变量名访问。
  • 例如：

#include <stdio.h>
struct Point {
    int x;
    int y;
};
int main() {
    struct Point p = {1, 2};
    struct Point *ptr = &p;
    // 通过结构体指针访问成员
    printf("x = %d, y = %d\n", ptr->x, ptr->y);
    return 0;
}

2. 优化结构体成员访问效率的方法
   • 减少指针间接寻址次数：如果使用结构体指针访问成员，尽量减少在循环等频繁操作中对指针的重新赋值等操作，因为重新赋值可能导致编译器难以优化间接寻址。例如：

#include <stdio.h>
struct Data {
    int arr[100];
};
int main() {
    struct Data d;
    struct Data *ptr = &d;
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        // 优化前
        // (*ptr).arr[i] = i;
        // 优化后
        ptr->arr[i] = i;
    }
    return 0;
}

• 使用结构体变量名代替指针（如果适用）：在函数内部，若结构体对象的生命周期和作用域允许，可以直接使用结构体变量名来访问成员，避免指针间接寻址。例如：

#include <stdio.h>
struct Rectangle {
    int width;
    int height;
};
// 函数参数使用结构体变量
void calculateArea(struct Rectangle rect) {
    int area = rect.width * rect.height;
    printf("Area = %d\n", area);
}
int main() {
    struct Rectangle r = {5, 10};
    calculateArea(r);
    return 0;
}

• 内存对齐优化：确保结构体成员按照合适的字节对齐规则进行定义，这样可以提高内存访问效率。编译器通常会自动进行一定程度的内存对齐，但开发者也可以手动控制。例如：

#include <stdio.h>
// 手动控制内存对齐
#pragma pack(push, 1)
struct PackedPoint {
    char c;
    int num;
};
#pragma pack(pop)
int main() {
    struct PackedPoint pp = {'a', 10};
    // 这里由于内存对齐为1字节，结构体大小更紧凑，访问成员效率可能提高
    printf("c = %c, num = %d\n", pp.c, pp.num);
    return 0;
}