面试题：C语言结构体成员访问效率优化之内存布局

Question

假设你有一个结构体包含不同类型的成员，如char、int、double等。如何通过调整结构体成员的顺序来优化内存布局，进而提高成员访问效率？请详细阐述原理，并给出一个优化前后的结构体定义示例。

Answer 1

原理

现代计算机内存以字节为单位进行编址，但是在访问数据时，不同类型的数据会有不同的对齐要求。例如，int类型可能要求4字节对齐（在32位系统上），double类型可能要求8字节对齐。如果结构体成员按照不合理的顺序排列，可能会导致内存空洞，浪费空间并且可能影响访问效率。为了优化内存布局，应按照数据类型的大小从大到小排列结构体成员，这样可以减少内存空洞，提高内存利用率和访问效率。

优化前结构体定义示例

struct Unoptimized {
    char c; // 1字节
    double d; // 8字节
    int i; // 4字节
};

在上述结构体中，char之后为double，char占用1字节，为了满足double的8字节对齐要求，会在char后填充7字节空洞，double之后为int，为了满足int的4字节对齐要求，double之后会填充4字节空洞，总共浪费了11字节空间。

优化后结构体定义示例

struct Optimized {
    double d; // 8字节
    int i; // 4字节
    char c; // 1字节
};

在这个优化后的结构体中，double先放置，然后是int，最后是char。int紧跟double，无需额外填充，char紧跟int，int之后只需要填充3字节空洞，总共浪费3字节空间，相比优化前大大提高了内存利用率。