面试题：C语言结构体对齐复杂场景分析

Question

假设有两个结构体，struct S1 { char a; int b; }; struct S2 { S1 s1; char c; }; 请说明S2的内存布局和总大小，并阐述原因。同时，如果通过#pragma pack(n)指令改变对齐方式，n取值不同时（假设为1、2、4），S2的内存布局和大小又会如何变化？

Answer 1

1. 默认对齐方式下
   • 内存布局：
     • struct S1中，char a占1字节，int b占4字节。由于默认对齐方式下，int类型按4字节对齐，char a后会填充3字节，所以struct S1大小为8字节。
     • struct S2中，s1占8字节，char c占1字节。char c后会填充3字节，以满足struct S2整体按4字节对齐。
   • 总大小：struct S2总大小为12字节。原因是结构体的对齐原则，结构体的大小必须是其最大成员对齐数的整数倍，struct S2中最大成员类型为int，对齐数为4，所以总大小为12字节。
2. #pragma pack(1)时
   • 内存布局：
     • struct S1中，char a占1字节，int b占4字节，不再有填充字节，struct S1大小为5字节。
     • struct S2中，s1占5字节，char c占1字节，无填充字节。
   • 总大小：struct S2总大小为6字节。因为#pragma pack(1)取消了对齐优化，结构体成员紧密排列，总大小为各成员大小之和。
3. #pragma pack(2)时
   • 内存布局：
     • struct S1中，char a占1字节，int b占4字节。char a后填充1字节，struct S1大小为6字节。
     • struct S2中，s1占6字节，char c占1字节，char c后填充1字节，以满足struct S2整体按2字节对齐。
   • 总大小：struct S2总大小为8字节。因为最大对齐数为2，结构体大小需为2的整数倍。
4. #pragma pack(4)时
   • 内存布局：
     • 与默认对齐方式下struct S1内存布局相同，struct S1大小为8字节。
     • struct S2中，s1占8字节，char c占1字节，char c后填充3字节，以满足struct S2整体按4字节对齐。
   • 总大小：struct S2总大小为12字节。因为最大对齐数为4，结构体大小需为4的整数倍，和默认对齐方式下大小一致。