面试题：C语言结构体嵌套及内存对齐问题

Question

定义一个结构体A，它包含一个字符数组（长度为3）、一个短整型和一个整型。再定义一个结构体B，它嵌套结构体A，并且还有一个双精度浮点型成员。请分析结构体B的内存布局，并计算结构体B的大小。同时说明内存对齐的规则是如何应用的。

Answer 1

1. 结构体A的定义及分析：
   • 结构体A定义如下：

struct A {
    char arr[3];
    short num1;
    int num2;
};

• 内存布局分析：
  • char arr[3]占用3个字节。
  • short num1通常占用2个字节。由于内存对齐规则，short类型变量存储地址需要是2的倍数，而char arr[3]占用3个字节，所以在arr之后会填充1个字节，使得num1的起始地址是2的倍数。
  • int num2通常占用4个字节。它的起始地址需要是4的倍数，此时前面arr和num1以及填充字节共占用6个字节，所以在num1之后会填充2个字节，使得num2的起始地址是4的倍数。
• 结构体A的大小：3 + 1 + 2 + 2 + 4 = 12字节。

2. 结构体B的定义及分析：
   • 结构体B定义如下：

struct B {
    struct A a;
    double num3;
};

• 内存布局分析：
  • 结构体B包含结构体A，结构体A大小为12字节。
  • double num3通常占用8个字节。double类型变量存储地址需要是8的倍数，而结构体A占用12字节，所以在结构体A之后会填充4个字节，使得num3的起始地址是8的倍数。
• 结构体B的大小：12 + 4 + 8 = 24字节。

3. 内存对齐规则：
   • 规则1：结构体成员的起始地址必须是该成员大小的整数倍：例如short类型成员起始地址要是2的倍数，int类型成员起始地址要是4的倍数，double类型成员起始地址要是8的倍数等。
   • 规则2：结构体的总大小必须是其最大成员大小的整数倍：在结构体A中，最大成员是int类型，大小为4，所以结构体A总大小是12（4的整数倍）。在结构体B中，最大成员是double类型，大小为8，所以结构体B总大小是24（8的整数倍）。