面试题：C语言结构体与内存对齐

Question

请解释C语言中结构体的内存对齐规则，并编写一个包含不同数据类型成员的结构体，计算其实际占用内存大小，并说明原因。

Answer 1

结构体内存对齐规则

1. 第一个成员：结构体的第一个成员总是从结构体变量内存起始位置开始存储。
2. 其他成员：其他成员存储的起始位置要对齐到某个特定值（对齐数）的整数倍的地址处。对齐数是该成员自身大小与编译器默认对齐数中较小的那个值。例如，在32位系统中，编译器默认对齐数一般为4字节，若成员是char（1字节），则对齐数为1；若成员是int（4字节），对齐数为4。
3. 结构体大小：结构体的总大小为最大对齐数（所有成员对齐数中的最大值）的整数倍。如果不够，需要在最后一个成员后面填充字节，以满足这个条件。

示例代码及分析

#include <stdio.h>

// 定义包含不同数据类型成员的结构体
struct MyStruct {
    char a;   // 1字节
    int b;    // 4字节
    short c;  // 2字节
};

int main() {
    printf("结构体MyStruct的大小: %zu 字节\n", sizeof(struct MyStruct));
    return 0;
}

原因分析

1. 成员a：a是char类型，大小为1字节，它从结构体起始位置开始存储。
2. 成员b：b是int类型，大小为4字节。由于默认对齐数假设为4（32位系统常见情况），所以b存储的起始位置必须是4的整数倍。此时，a后面还剩3个字节空间不足4字节，所以需要填充3个字节，b从第4个字节位置开始存储。
3. 成员c：c是short类型，大小为2字节，对齐数为2（short自身大小2与默认对齐数4中较小值）。b占用4字节后，下一个地址是第8个字节，满足c对齐到2的整数倍的要求，c从第8个字节位置开始存储，占用2个字节。
4. 结构体总大小：最大对齐数是4（int的对齐数），此时结构体已经占用了1 + 3（填充）+ 4 + 2 = 10字节，不是4的整数倍，所以需要在c后面填充2个字节，使得结构体总大小为12字节，满足最大对齐数的整数倍。所以sizeof(struct MyStruct)结果为12字节。