面试题：C语言结构体成员访问在复杂嵌套与内存对齐下的操作

Question

考虑如下复杂结构体嵌套定义：struct Inner { char c; int num; }; struct Outer { struct Inner inner; double d; char arr[3]; }; struct Outer outer; 假设系统的内存对齐规则是4字节对齐，如何正确初始化并访问outer结构体中inner的num成员，同时说明在这种嵌套和内存对齐情况下，结构体整体大小的计算方式及对成员访问的潜在影响。

Answer 1

1. 初始化并访问outer结构体中inner的num成员：

#include <stdio.h>

struct Inner {
    char c;
    int num;
};

struct Outer {
    struct Inner inner;
    double d;
    char arr[3];
};

int main() {
    struct Outer outer = {
       .inner = {
           .c = 'a',
           .num = 10
        },
       .d = 3.14,
       .arr = {'x', 'y', 'z'}
    };

    // 访问inner的num成员
    printf("outer.inner.num: %d\n", outer.inner.num);

    return 0;
}

2. 结构体整体大小的计算方式：
   • 对于struct Inner：
     • char c占1字节，由于4字节对齐，补齐3字节，int num占4字节，所以struct Inner大小为1 + 3 + 4 = 8字节。
   • 对于struct Outer：
     • struct Inner inner占8字节。
     • double d占8字节。
     • char arr[3]占3字节，补齐1字节以满足4字节对齐。
     • 因此，struct Outer的大小为8 + 8 + 3 + 1 = 20字节。
3. 对成员访问的潜在影响：
   • 内存对齐会导致结构体内部存在填充字节，这虽然增加了结构体的整体大小，但能提高内存访问效率。因为现代计算机在读取内存时通常以特定的对齐边界进行操作，对齐的数据能更高效地被读取和写入。例如，若数据未对齐，可能需要进行多次内存访问才能获取完整的数据，而对齐后可以一次读取完成，提升了性能。同时，在跨平台开发时，不同系统的内存对齐规则可能不同，这可能导致结构体大小和成员偏移量的变化，从而影响成员的正确访问，所以编写代码时需要注意内存对齐的兼容性。