面试题：C语言calloc函数使用中的内存对齐问题

Question

在使用C语言的calloc函数分配内存时，内存对齐是如何影响实际分配内存大小以及数据存储的？假设要分配一个结构体数组的内存，结构体中有不同类型成员（如char、int、double），请分析calloc函数分配内存过程中的内存对齐机制，并编写代码验证你的分析。

Answer 1

内存对齐对calloc分配内存大小及数据存储的影响分析

1. 内存对齐规则：
   • 不同类型的数据在内存中存储时，其起始地址需要满足一定的对齐要求。例如，char类型通常以1字节对齐，int类型在32位系统上通常以4字节对齐，double类型通常以8字节对齐。
   • 结构体的大小不是简单地将其成员大小相加，而是要考虑内存对齐。结构体的大小是其最大对齐成员大小的整数倍。并且每个成员相对于结构体起始地址的偏移量必须是该成员对齐字节数的整数倍。
2. 对calloc分配内存大小的影响：
   • 当使用calloc分配结构体数组内存时，calloc分配的总内存大小不仅要满足结构体成员大小之和，还要满足内存对齐要求。例如，如果一个结构体由于内存对齐其大小为16字节（假设结构体成员实际大小之和为10字节，但因对齐要求为16字节），要分配10个这样的结构体数组，calloc分配的内存大小为16 * 10 = 160字节，而不是10 * 10 = 100字节。
3. 对数据存储的影响：
   • 内存对齐保证了不同类型数据在内存中的存储地址符合其对齐要求，这样可以提高CPU访问内存的效率。例如，对于一个int类型数据，如果它存储在4字节对齐的地址上，CPU可以更高效地读取它。在结构体数组中，每个结构体实例内的成员按对齐规则存储，结构体实例之间也按对齐规则排列。

代码验证

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义一个结构体
typedef struct {
    char c;
    int i;
    double d;
} MyStruct;

int main() {
    // 分配一个包含5个MyStruct结构体的数组
    MyStruct *arr = (MyStruct *)calloc(5, sizeof(MyStruct));

    if (arr == NULL) {
        perror("calloc");
        return 1;
    }

    // 输出结构体的大小
    printf("Size of MyStruct: %zu bytes\n", sizeof(MyStruct));

    // 输出分配的总内存大小
    printf("Total allocated memory: %zu bytes\n", 5 * sizeof(MyStruct));

    // 释放内存
    free(arr);
    return 0;
}

在上述代码中：

• 定义了一个MyStruct结构体，包含char、int和double类型成员。
• 使用calloc分配了一个包含5个MyStruct结构体的数组。
• 输出了MyStruct结构体的大小以及calloc实际分配的总内存大小。可以看到，由于内存对齐，MyStruct结构体的大小不是简单的1 + 4 + 8 = 13字节，而是16字节（double类型对齐要求为8字节，结构体大小需为8的整数倍），因此分配5个结构体的数组，总内存大小为5 * 16 = 80字节。