面试题：C++基本数据类型位数与内存对齐关系

Question

已知结构体 `struct { char a; int b; short c; }`，在默认内存对齐方式下，该结构体的大小是多少？请详细说明计算过程，并阐述C++基本数据类型的位数如何影响内存对齐规则以及结构体的实际大小。

Answer 1

1. 结构体大小计算过程
   • 首先，在默认内存对齐方式下，不同编译器有不同的对齐规则，但常见的是按照结构体中最大基本数据类型的大小进行对齐。
   • 对于结构体 struct { char a; int b; short c; }：
     • char类型通常占1字节。
     • int类型通常占4字节（在32位和64位系统中常见）。
     • short类型通常占2字节。
     • 这里最大基本数据类型是int，占4字节，所以结构体的对齐单位是4字节。
     • 对于char a，它占1字节，由于要按照4字节对齐，所以它后面会填充3字节，此时从结构体起始位置到a结束共4字节。
     • int b占4字节，直接紧跟其后，此时从结构体起始位置到b结束共8字节。
     • short c占2字节，它后面需要填充2字节以满足4字节对齐，此时从结构体起始位置到c结束共12字节。
   • 所以该结构体的大小是12字节。
2. C++基本数据类型的位数对内存对齐规则及结构体实际大小的影响
   • 内存对齐规则：
     • 不同基本数据类型的位数不同，内存对齐以结构体中最大基本数据类型的大小为对齐单位。例如，如果结构体中有char（1字节）、short（2字节）和double（8字节），则对齐单位是8字节。这是为了提高内存访问效率，因为现代计算机硬件在读取数据时，通常以特定大小（如4字节、8字节等）为单位进行读取，如果数据存储在对齐的地址上，可以减少访问内存的次数。
   • 对结构体实际大小的影响：
     • 由于对齐规则，结构体中的成员变量可能不会紧密排列，而是在某些成员变量后需要填充一些字节以满足对齐要求。如上述例子中char后填充3字节，short后填充2字节，导致结构体实际大小大于所有成员变量大小之和。如果基本数据类型位数发生变化（比如在不同平台下int可能占2字节、4字节等），那么对齐单位和填充字节数都会改变，从而影响结构体的实际大小。