結(jié)構(gòu)體是一種結(jié)構(gòu)型的數(shù)據(jù)，可以把多種不同的基本數(shù)據(jù)類型有結(jié)構(gòu)的組織在一起，定義為一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型。那么這種類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中是如何存放的，有什么規(guī)則要遵循，還是按照數(shù)據(jù)類型所占內(nèi)存大小順序的排列下去就好了，下面就讓我們來一窺究竟。
翠花，上代碼！

struct CHStruct1 {
    double a;   
    char b;     
    int c;      
    short d;    
};
typedef struct CHStruct1 CHStruct1;

可以看到CHStruct1這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)體定義，其中包括了一些基本的數(shù)據(jù)類型，那么在內(nèi)存中這個(gè)結(jié)構(gòu)體是如何存放的，占多大的空間，這些問題都需要我們?nèi)パ芯恳幌隆榱擞?jì)算內(nèi)存大小，我們先看下每種數(shù)據(jù)類型在內(nèi)存中所占大小，如下表：

數(shù)據(jù)類型在內(nèi)存所占大小.png

首先我們假設(shè)這個(gè)結(jié)構(gòu)體所占內(nèi)存大小是按照每種數(shù)據(jù)類型的大小加起來的大小，那么我們打印這個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小應(yīng)該是8+1+4+2=15，如果是這樣我們就打印下看看：

NSLog(@"%lu",sizeof(struct1));

運(yùn)行之后，實(shí)際打印的結(jié)果是：24。為什么結(jié)果和預(yù)想的不同，下面就要介紹重點(diǎn)了：結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊。

1. 結(jié)構(gòu)struct或聯(lián)合union的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值(或默認(rèn)值)和這個(gè)數(shù)據(jù)成員類型長度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。在上一個(gè)對齊后的地方開始尋找能被當(dāng)前對齊數(shù)值整除的地址.
2. 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對齊。主要體現(xiàn)在，最后一個(gè)元素對齊后，后面是否填補(bǔ)空字節(jié)，如果填補(bǔ)，填補(bǔ)多少？對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值(或默認(rèn)值)和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員類型長度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
3. 結(jié)合1、2推斷：當(dāng)#pragma pack(n)的n值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員類型長度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。
4. 如果嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對齊到自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

看起來是不是很暈，有一種不可描述的感覺，下面就讓我們一步步來拆解，還用上面的結(jié)構(gòu)體來舉例：

//內(nèi)存對齊
//默認(rèn)的對齊數(shù)是8
//linux環(huán)境的默認(rèn)對齊數(shù)4
struct CHStruct1 {
    double a; //double類型占8字節(jié)，對齊數(shù)是8，由于是第一個(gè)元素，所以存放的位置是0-7字節(jié)
    char b; //1字節(jié)，接著上個(gè)元素位置，這里對齊數(shù)是1，8又是1的整數(shù)倍，所以b成員就存放在a成員的后面
    int c; //4字節(jié)，對齊數(shù)是4，上面的元素排到9，4不能被9整除，所以要補(bǔ)齊到12的位置，從下標(biāo)為12的字節(jié)位置開始存放，也就是12，13，14，15這4個(gè)字節(jié)來存放成員c
    short d; //2字節(jié)，上面的成員排列到了15，這里要從下標(biāo)16的字節(jié)開始存放，16能夠整除2的對齊數(shù)，所以16，17這兩個(gè)字節(jié)存放的是成員d   
};
typedef struct CHStruct1 CHStruct1;

從上面的代碼的注釋中，我們看到這個(gè)結(jié)構(gòu)體在各自成員對齊排列后，最終排列到了下標(biāo)為17的字節(jié)位置，也就是共用了18個(gè)字節(jié)來存放整個(gè)結(jié)構(gòu)體，但剛剛sizeof(struct1)打印的結(jié)果并不是18，這就要引出最后一步整體對齊了，整體對齊意味著整個(gè)結(jié)構(gòu)體占用的內(nèi)存長度是自身成員對齊數(shù)最大的那個(gè)的整數(shù)倍，我們看到所有成員中，最大的對齊數(shù)是成員a，也就是8，那么最終對齊內(nèi)存后，所占用內(nèi)存長度需要是8的整數(shù)倍，剛才計(jì)算所有子成員對齊后使用了18個(gè)字節(jié)，要想被8整除，距18最近的數(shù)就是24，那么就要在第18個(gè)字節(jié)后面在補(bǔ)充6個(gè)字節(jié)，共24個(gè)字節(jié)，這下就該明白了NSLog中打印出來的24是怎么算出來的了。

那么字節(jié)對齊有什么意義呢，為什用更少的內(nèi)存能解決的問題偏偏要浪費(fèi)空間呢？這個(gè)問題就和CPU每次讀取數(shù)據(jù)的方式有關(guān)了：

1. 平臺原因(移植原因)： 不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。
2. 性能原因： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。 原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

總的來說，結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊是拿空間來換取時(shí)間的做法；

下面讓我們更進(jìn)一步，看看結(jié)構(gòu)體嵌套的情況：

struct CHStruct2 {
    double a;   //8 (0-7)
    int b;      //4 (8 9 10 11)
    char c;     //1 (12)
    short d;    //2 13 (14 15) - 16
};
// 15 -> 16
typedef struct CHStruct2 CHStruct2;
struct CHStruct3 {
    double a;   //8 (0-7)
    int b;      //4 (8 9 10 11)
    char c;     //1 (12)
    short d;    //2 13 (14 15) - 16
    CHStruct2 struct2; //16 (16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31)
};
//32
typedef struct CHStruct3 CHStruct3;
CHStruct2 struct2;
CHStruct3 struct3;
NSLog(@"%lu-%lu",sizeof(struct2),sizeof(struct3)); //打印16-32

打印的結(jié)果不出意料，是：16-32，和注釋中的推算完全符合。struct2占16字節(jié)，struct3占32字節(jié)，但是這個(gè)計(jì)算結(jié)果真的是注釋中這樣的計(jì)算方式嗎，我們認(rèn)為struct3中的成員struct2是那個(gè)最大對齊數(shù)的元素，最終占用內(nèi)存也是它的整數(shù)倍，這一切看起來似乎很正確，但是我們調(diào)整一下結(jié)構(gòu)再看看：

//減少一些成員，再計(jì)算一次
struct CHStruct4 {
    int b;      //4 (0 1 2 3)
    char c;     //1 (4)
    CHStruct2 struct2; //16 5 (16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31)
};
CHStruct4 struct4;
NSLog(@"%lu",sizeof(struct4));//打印24

如果按照上面代碼注釋中的思路，struct4無疑也應(yīng)該占用32字節(jié)，打印結(jié)果卻是24，是不是很費(fèi)解，最大對齊元素應(yīng)該是成員struct2，占用16字節(jié)，最終對齊結(jié)果應(yīng)該是16的整數(shù)倍，為什么打印出來是24，我們不妨把結(jié)構(gòu)體CHStruct4中的struct2按照原定義展開來看：

struct CHStruct4 {
    int b;      //4 (0 1 2 3)
    char c;     //1 (4)
//    CHStruct2 struct2; //16 5 (16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31)
    double a;   //8 5 (8 9 10 11 12 13 14 15)
    int f;      //4 (16 17 18 19)
    char g;     //1 (20)
    short d;    //2 21 (22 23) - 24
};
//24
typedef struct CHStruct4 CHStruct4;

這樣看是不是一目了然，同樣的計(jì)算方式，注釋推算的最終結(jié)果變成24，而不是32了，所以我們得出了結(jié)論：在結(jié)構(gòu)體嵌套情況下，計(jì)算結(jié)構(gòu)體最大成員，并不是把嵌套其中的結(jié)構(gòu)體當(dāng)做一個(gè)整體成員去計(jì)算對齊，依然可以把它的成員展開成普通類型，看里面的最大對齊數(shù)成員的對齊數(shù)是多少，并從這個(gè)對齊數(shù)的整數(shù)倍位置開始對齊嵌套的結(jié)構(gòu)體成員，按照對齊數(shù)整數(shù)倍方式逐個(gè)對齊，最終在計(jì)算最大對齊數(shù)（包含嵌套結(jié)構(gòu)總的成員對齊數(shù)）的整數(shù)倍。
我們可以修改一下CHStruct4的定義，結(jié)論依然是成立的：

//我們調(diào)換一下CHStruct2中的成員位置
struct LGStruct2 {
    int b;      //4 (0 1 2 3)
    double a;   //8 (8 9 10 11 12 13 14 15)
    char c;     //1 (16)
    short d;    //2 13 (18 19) - 24
};
typedef struct CHStruct2 CHStruct2;

struct CHStruct5 {
    char c;     //1 (0)
    short d;    //2 1 (2 3)
    LGStruct2 struct2;
//    int f;      //4 (8 9 10 11)
//    double a;   //8 12 (16 17 18 19 20 21 22 23)
//    char g;     //1 (24)
//    short h;    //2 25 (26 27) - 32
};
typedef struct LGStruct5 LGStruct5;

struct CHStruct6 {
    char c;     //1 (0)
    LGStruct2 struct2;
//    int f;      //4 (8 9 10 11)
//    double a;   //8 12 (16 17 18 19 20 21 22 23)
//    char g;     //1 (24)
//    short h;    //2 25 (26 27) - 32
};
typedef struct CHStruct6 CHStruct6;
CHStruct5 struct5;
CHStruct6 struct6;
NSLog(@"%lu-%lu",,sizeof(struct5),sizeof(struct6)) //輸出32-32

關(guān)于#pragma pack對齊數(shù)的概念:
1.#pragma pack(n)
每個(gè)特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對齊系數(shù)”。這里規(guī)定的是上界，只影響對齊單元大于n的成員，對于對齊字節(jié)不大于n的成員沒有影響。

可以認(rèn)為處理器一次性可以從內(nèi)存中讀/寫n個(gè)字節(jié)。對于大小小于n的成員，按照自己的對齊條件對齊，因?yàn)椴徽撛趺捶哦伎梢砸淮涡匀〕觥τ趯R條件大于n個(gè)字節(jié)的成員，成員按照自身的對齊條件對齊和按照n字節(jié)對齊需要相同的讀取次數(shù)，但按照n字節(jié)對齊節(jié)省空間。
通過預(yù)編譯命令#pragma pack()取消自定義字節(jié)對齊方式。

也可以寫成：
#pragma pack(push,n)
#pragma pack(pop)

2.__attribute__((aligned (n)))

__attribute__((aligned (n)))，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長度大于n，則按照最大成員的長度來對齊。
__attribute__((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過程中的優(yōu)化對齊，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對齊。

需要注意的是：內(nèi)存對齊的 對齊數(shù) 取決于 對齊系數(shù) 和 成員的字節(jié)數(shù) 兩者之中的較小值。
舉例說明：

struct test {
    char x1;
    short x2;
    float x3;
    char x4;
}

默認(rèn)情況下,結(jié)構(gòu)的第一個(gè)成員x1，其偏移地址為0，占據(jù)了第1個(gè)字節(jié)。第二個(gè)成員x2為short類型，其起始地址必須2字節(jié)對界，因此，編譯器在x2和x1之間填充了一個(gè)空字節(jié)。結(jié)構(gòu)的第三個(gè)成員x3和第四個(gè)成員x4恰好落在其自然邊界地址上，在它們前面不需要額外的填充字節(jié)。在test結(jié)構(gòu)中，成員x3要求4字節(jié)對齊，是該結(jié)構(gòu)所有成員中要求的最大邊界單元，因而test結(jié)構(gòu)的自然對齊條件為4字節(jié)，編譯器在成員x4后面填充了3個(gè)空字節(jié)。整個(gè)結(jié)構(gòu)所占據(jù)空間為12字節(jié)。

當(dāng)使用：#pragma pack(1)//讓編譯器對這個(gè)結(jié)構(gòu)作1字節(jié)對齊

#pragma pack(1) //讓編譯器對這個(gè)結(jié)構(gòu)作1字節(jié)對齊
struct test {
    char x1;
    short x2;
    float x3;
    char x4;
};
#pragma pack() //取消1字節(jié)對齊，恢復(fù)為默認(rèn)4字節(jié)對齊

這時(shí)候sizeof(struct test)的值為8。

同理：使用__attribute__((packed))

#define PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test {
    char x1;
    short x2;
    float x3;
    char x4;
}test;

這時(shí)候sizeof( test)的值仍為8。