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嵌入式 C/C++ 开发之压榨程序大小——结构体优化：用好了能省 50% 的空间

在 C 和 C++ 编程中，结构体（struct）的内存布局对程序的性能和内存使用有着重要的影响，尤其是在嵌入式开发中，RAM 也就那么 16K、8K 甚至 4K，寸土寸金，容不得一丝浪费。本文将详细介绍如何通过理解对齐要求、填充、结构体重新排序等技术来优化结构体的内存布局，缩小程序占用空间，从而提高程序的效率和性能。

1. 对齐要求

编译器在内存中布局基本数据类型时受到对齐要求的约束，以加快内存访问速度。这些约束导致了相同的布局，包括 Intel、ARM 和 RISC-V 等架构。除了 char 类型外，其他基本的 C 语言数据类型都有对齐要求。例如，2 字节的 short 必须从偶数地址开始，4 字节的 int 或 float 必须从能被 4 整除的地址开始，8 字节的 long 或 double 必须从能被 8 整除的地址开始。这种自我对齐的特性使得内存访问更快。
但是，这也导致了部分内存空间的额外占用——填充。

2. 填充

填充是指编译器在结构体成员之间或结构体末尾添加的额外字节，以满足对齐要求。例如，考虑以下结构体(64 位系统下)：

struct foo1 {
    char *p;     /* 8 字节 */
    char c;      /* 1 字节 */
    long x;      /* 8 字节 */
};

在这个结构体中，char 类型的 c 成员后面需要添加 7 字节的填充，以确保 long 类型的 x 成员从 8 字节对齐的地址开始：

struct foo1 {
    char *p;       /* 8 字节 */
    char c;        /* 1 字节 */
    //char pad[7]; /* 7 字节填充 */
    long x;        /* 8 字节 */
};

这种填充虽然可以确保数据的快速访问，但也导致内存的浪费。

3. 结构体对齐和填充

结构体的对齐通常是按照其成员最宽的长度进行对齐。例如，如果一个结构体包含一个 long 类型的成员，那么整个结构体将具有 8 字节对齐。这意味着结构体的地址与其第一个成员的地址相同，没有前面的填充。然而，结构体的末尾可能会有尾随填充，以确保下一个结构体实例从正确的对齐地址开始。

4. 位字段

位字段允许你在结构体中声明小于字符宽度的字段，小到 1 位。例如：

struct foobits {
    short s;
    char c;
    int flip:1;
    int nybble:4;
    int septet:7;
};

位字段的布局受到 C 标准的限制，它们不能跨越存储单位边界。C99 保证位字段将尽可能紧密地打包，但 C++14 放宽了这一限制，允许位字段跨越多个分配单元。

5. 结构体重新排序

由上述对其及填充的规则学习得知，我们可以通过重新排序结构体成员，来减少填充并优化内存布局。
通常，按对齐要求从大到小的顺序排列成员可以减少填充。
例如，将指针对齐的成员放在前面，然后是 4 字节的 int，接着是 2 字节的 short，最后是 char 类型的成员。
这种方法可以显著减少结构体的总体大小，从而提高内存使用效率。

6. 结构体优化的实际应用

考虑一个复杂的结构体，包含多种不同类型的数据成员：

struct complex {
    char c1;
    int i1;
    short s1;
    long l1;
    char c2;
};

在这个结构体中，c1 和 c2 之间以及 l1 末尾会有填充。通过重新排序成员，我们可以减少填充：

struct complex {
    long l1;
    int i1;
    short s1;
    char c1;
    char c2;
};

这种重新排序后的结构体只在 l1 和 i1 之间有 4 字节的填充，因为 i1 需要 4 字节对齐。c1 和 c2 之间没有填充，因为 c1 已经在 i1 的填充内。

优化对比，文末可获取 demo：

结论

理解并应用结构体优化技术对于提高 C 和 C++ 程序的性能和内存效率至关重要。
通过对齐要求、填充和结构体重新排序的理解，开发者可以设计出更高效、更紧凑的数据结构，从而在保持代码可读性的同时，提高程序的整体性能。
记住，优化结构体不仅仅是减少内存占用，它还可以提高程序的运行速度，特别是在处理大量数据或在内存受限的环境中。

文章配套 demo 源码仓库：结构体优化对比demo

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