一. 背景

当普通的类型无法满足我们的需求的时候，就需要用到结构体了。结构体可衍生出结构体数组，结构体还可以嵌套结构体，这下子数据类型就丰富多彩了，我们可以根据需要定义自己的数据类型。有时需要求结构体的大小，这就涉及到内存对齐的知识。概念、理论之类，我没有深入研究，这里主要是验证一下计算结构体大小的方法，证明学习到的方法确实有效。关于内存对齐，最开始是看了《深入理解计算机系统》中关于“数据对齐”一节，上面轻描淡写的写了下求结构体的大小，我没看明白。看《零基础入门C语言》中关于计算结构体大小的规则，算是看明白了。

二. 前奏

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先说点我觉得有意思的地方。数组之间是不可以直接赋值的，但是用结构体包装一下，就达到了这个效果，前者无法做到的事情却通过结构体做到了。通过代码来验证一下。

定义了两个数组arr和arr2，第14行代码，将arr赋值给arr2，编译时会报错。提示：14: error: array type 'int [5]' is not assignable。

(数组名有二义性，一是表示数组名，相当于数组的定海神针，二是表示首元素的地址。第14行代码把一个数组的首元素的地址赋值给另一个数组首元素，显然这是不允许的)

将第14行代码注释后。定义了一个结构体，里面定义了一个整型数组。然后定义了两个结构体变量tt1和tt2，将tt2赋值给了tt1，然后打印变量tt2中数组里面的每个元素。

#include <iostream>

using namespace std;

struct numArr
{
    int m_arr[5];
};

int main()
{
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int arr2[5] = {0};
//    arr2 = arr;

    struct numArr tt1 = {{1, 2, 3, 4, 5}};
    struct numArr tt2 = {{0}};
    tt2 = tt1;

    for(int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        cout<<tt2.m_arr[i]<<endl;
    }

    return 0;
}

运行结果如下
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从结果可以看到，打印结构与tt1中的数组中的元素一致。也就是说，将结构体变量tt1赋值给tt2后，tt2中的数组与tt1中的数组也一样了。

通过结构体这么一包装，就产生了数组"可以"赋值的现象了，挺有意思的。

三. 结构体大小的计算

内存对齐，关于这一点，《深入理解计算机系统》这本书用的篇幅蛮少的，两页不到。书上是这么介绍的。

许多计算机系统对基本数据类型的合法地址做出了一些限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值K(通常是2、4或8)的倍数。这种对齐限制简化了形成处理器和内存系统之间的接口的硬件设计。

前半句能理解，后半句，涉及硬件的东西，懵逼了。

《零基础入门C语言》这本书，从现象的角度阐述，它先讲内存不对齐的情况。

一个成员变量需要多个机器周期去读的现象，称为内存不对齐。为什么要对齐呢？本质是牺牲空间，换取时间的方法。

一般来说，大多数系统，即使不对齐，也没什么大的问题，只是原本需要一次进行内存操作读或写，现在需要两次或多次了。不过这个与硬件有关系，比如有些处理器对于某些指令有特定的要求，否则可能就真的出现异常了。有兴趣的话，建议自行去深入学习。

对齐规则/计算方法

x86(Linux默认#pragma pack(4)， Window默认#pragma pack(8))。Linux最大支持4字节对齐。

方法：

1) 取pack(n)的值 (n = 1, 2, 4，8......)，取结构体中类型最大值为m。两者取小即为外对齐大小 Y = (m < n ? m: n)；

2) 将每一个结构体的成员大小与Y比较取小者为X，作为内对齐的大小；

3) 所谓按X对齐，即为地址(设起始地址为0)能被X整除的地方开始存放数据；

4) 外部对齐原则是依据Y的值(Y的最小整数倍)，进行补空操作；

以上就是通常计算结构体大小的方法了。接下来，我们通过一些简单实验来验证一下。

首先，定义一个结构体，里面包含了char、short、int类型的变量。

1) 结构体先按照char、short、int的顺序定义。然后定义一个结构体变量s1，求结构体的大小，一个是结构体类型的大小(模子)，一个是是结构体变量的大小。我们也可以把结构体成员的地址也打印出来，查看它们的偏移量，分析起来会更清晰一些。

#include <stdio.h>

typedef struct stu
{
    char a;
    short b;
    int c;
} Stu;

int main()
{
    Stu s1 = {'m', 1, 20};
    printf("sizeof(Stu) = %d\n", sizeof(Stu));
    printf("sizeof(s1)  = %d\n", sizeof(s1));

    printf("-----------\n");
    printf("&s1   = %p\n", &s1);
    printf("&s1.a = %p\n", &s1.a);
    printf("&s1.b = %p\n", &s1.b);
    printf("&s1.c = %p\n", &s1.c);
    return 0;
}

a) Windows平台，pack默认为8。先求外对齐大小Y，结构体中类型最大的为int类型，大小为4字节，4比8小，所以Y值为4.

b) 然后将结构体中的每一个成员与Y进行比较，依次求内对齐的大小。结构体中成员分别为char 1字节，short 2字节，int 4字节，与4(外对齐大小Y)比较，得到内对齐大小分别为 1， 2， 4。

c) 假设起始地址为0x00，0可以被1整除，可以存放a了。a为char类型，大小为1个字节。接着地址为0x01，但是0x01不能被2整除，然后下一个地址为0x02，0x022可以被2整除，因此b的起始地址为0x02(此时，a与b之间填充了一个字节)。b为short类型，大小为2个字节。接着地址到了0x04，它可以被4整除，于是可以存放c了，c为int类型，大小为4个字节。

d) 接着地址到了0x08，(0x08-0x00)它可以被4(外对齐大小Y)整除，满足外对齐要求。

经分析，结构体大小为1 + 1 + 2 + 4 = 8个字节。

图如下图所示

代码运行结果如下

从打印结果来看，结构体大小为8，与上面的分析结果一致，符合预期。

2) 调整结构体中成员的顺序。结构体先按照short、char、int的顺序定义。打印成员地址的时候也需要调整下a与b的打印顺序。代码其它部分保持不变。

typedef struct stu
{
    short b;
    char a;
    int c;
} Stu;

a) Windows平台，pack默认为8。先求外对齐大小Y，结构体中类型最大的为int类型，大小为4字节，4比8小，所以Y值为4。

b) 然后将结构体中的每一个成员与Y进行比较，依次求内对齐的大小。结构体中成员分别为short 2字节，char 1字节，int 4字节，与4(外对齐大小Y)比较，得到内对齐大小分别为 2，1， 4。

c) 假设起始地址为0x00，0可以被2整除，可以存放b了。b为short类型，大小为2个字节。接着地址为0x02，2可以被1整除，a为char类型，大小为一个字节。然后下一个地址为0x03，0x03不可以被4整除，接着地址为0x04(此时，b与c之间填充了一个字节)。0x04可以被4整除，于是可以存放c了，c为int类型，大小为4个字节。

d) 接着地址到了0x08，(0x08-0x00)它可以被4(外对齐大小Y)整除，满足外对齐要求。

经分析，结构体大小为2 + 1 + 1 + 4 = 8个字节。

图如下图所示
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代码运行结果如下.

结构体大小为8，符合预期。

3)调整结构体中成员的顺序。结构体先按照int、short、char的顺序定义。打印成员地址的时候也需要调整为c、b、a的打印顺序。代码的其它部分保持不变。

typedef struct stu
{
    int c;
    short b;
    char a;

} Stu;

a) Windows平台，pack默认为8。先求外对齐大小Y，结构体中类型最大的为int类型，大小为4字节，4比8小，所以Y值为4。

b) 然后将结构体中的每一个成员与Y进行比较，依次求内对齐的大小。结构体中成员分别为int 4字节，short 2字节，char 1字节，与4(外对齐大小Y)比较，得到内对齐大小分别为4, 2，1。

c) 假设起始地址为0x00，0x00可以被4整除，可以存放c了。c为int类型，大小为4个字节。接着地址为0x04，0x04可以被2整除，b为short类型，大小为两个字节。然后下一个地址为0x06，0x06可以被1整除，可以存放a，a大小为1个字节。

d) 接着地址到了0x07，(0x07-0x00)不能被4(外对齐大小Y)整除，为满足外对齐要求，后面需要填充1个字节。

经分析，结构体大小为：4 + 2 + 1 + 1 = 8个字节。

图示如下

运行结果如下

结构体大小为8，符合预期。
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