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共用体的内存对齐教程
admin SU @ 2025-9-1 20:47:16

共用体的内存对齐教程

一、共用体（Union）基础回顾

在 C/C++ 中，共用体是一种特殊的数据结构，它允许多个不同类型的成员变量共享同一块内存空间，而非像结构体（Struct）那样为每个成员分配独立内存。这意味着：

共用体的所有成员从同一块内存的起始地址开始存储；
任意时刻只有一个成员能被有效访问（修改一个成员会覆盖其他成员的值）；
共用体的大小由其“最大成员的大小”和“内存对齐规则”共同决定（核心考点）。

二、内存对齐的核心目的

内存对齐并非共用体特有，而是计算机硬件层面的优化规则，核心目的是提升 CPU 访问内存的效率：

CPU 访问内存时，并非按“字节”逐个读取，而是按“对齐单位”（通常是 CPU 字长，如 4 字节、8 字节）批量读取；
若数据未对齐（如一个 4 字节的 int 存放在地址 1-4），CPU 需要读取 2 次内存并拼接数据，效率降低；
若数据对齐（如 int 存放在地址 0-3），CPU 仅需 1 次读取即可获取完整数据。

三、共用体内存对齐的 3 条核心规则

共用体的内存对齐需遵循以下 3 条规则，需结合实例理解：

规则 1：成员自身的对齐要求

每个成员变量都有其“自身对齐值”（即该类型的大小，如 char 为 1，int 为 4，double 为 8），成员必须存储在“自身对齐值的整数倍地址”上。
由于共用体所有成员共享起始地址，因此共用体的起始地址必须满足“所有成员中最大自身对齐值的整数倍”（否则最大成员无法对齐）。

规则 2：共用体整体大小的对齐要求

共用体的最终大小，必须是“所有成员中最大自身对齐值的整数倍”（称为“共用体对齐值”）。若最大成员的大小已满足该要求，则大小等于最大成员大小；若不满足，则需“补空字节”至对齐值的整数倍。

规则 3：成员共享内存，无偏移量

与结构体不同，共用体的成员无“偏移量”（结构体成员需按对齐规则依次偏移存储），所有成员的偏移量均为 0，直接覆盖同一块内存。

四、实例分析：手把手计算共用体大小

通过 3 个典型实例，掌握共用体内存对齐的计算方法：

实例 1：基础类型成员的共用体

#include <stdio.h>

// 定义共用体
union Test1 {
    char a;    // 自身对齐值 1，大小 1
    int b;     // 自身对齐值 4，大小 4
    double c;  // 自身对齐值 8，大小 8
};

int main() {
    printf("union Test1 的大小：%zu\n", sizeof(union Test1));
    return 0;
}

计算过程：

确定成员最大自身对齐值：double c 的对齐值为 8（所有成员中最大）；
确定成员最大大小：double c 的大小为 8；
检查共用体大小是否满足对齐要求：8 是 8 的整数倍，无需补空；
最终大小：8 字节。

运行结果：`union Test1 的大小：8`

实例 2：包含数组成员的共用体

#include <stdio.h>

union Test2 {
    char arr[5];  // 数组类型：自身对齐值 = 元素类型对齐值（char 为 1），大小 5
    int x;        // 自身对齐值 4，大小 4
};

计算过程：

确定成员最大自身对齐值：int x 的对齐值为 4（arr 的对齐值为 1，更小）；
确定成员最大大小：char arr[5] 的大小为 5（int x 为 4，更小）；
检查共用体大小是否满足对齐要求：5 不是 4 的整数倍，需补空至最近的 4 的整数倍（即 8）；
最终大小：8 字节。

运行结果：`union Test2 的大小：8`

实例 3：包含结构体成员的共用体

#include <stdio.h>

// 先定义结构体（需先计算结构体大小和对齐值）
struct Sub {
    char m;  // 对齐值 1，大小 1
    int n;   // 对齐值 4，大小 4
};

// 定义包含结构体的共用体
union Test3 {
    struct Sub s;  // 结构体成员：自身对齐值 = 结构体的对齐值（4），大小 = 结构体大小（8）
    double d;      // 对齐值 8，大小 8
};

第一步：计算结构体 `struct Sub` 的大小（结构体对齐规则）：

char m 占 1 字节，地址 0；
int n 对齐值为 4，需存放在 4 的整数倍地址（地址 4-7），因此 m 后补 3 字节空；
结构体大小：1（m）+ 3（空）+ 4（n）= 8 字节，且 8 是最大对齐值 4 的整数倍，满足要求。

第二步：计算共用体 `union Test3` 的大小：

确定成员最大自身对齐值：double d 的对齐值为 8（struct Sub 的对齐值为 4，更小）；
确定成员最大大小：struct Sub s 和 double d 的大小均为 8；
检查对齐：8 是 8 的整数倍，无需补空；
最终大小：8 字节。

运行结果：`union Test3 的大小：8`

五、共用体与结构体内存对齐的核心区别

对比维度	共用体（Union）	结构体（Struct）
内存分配方式	所有成员共享同一块内存，起始地址相同	为每个成员分配独立内存，按顺序偏移存储
成员偏移量	所有成员偏移量均为 0	成员偏移量需满足自身对齐值（可能有补空）
大小计算依据	最大成员大小 + 对齐补空（满足最大对齐值）	所有成员大小之和 + 偏移补空（满足最大对齐值）
数据访问特性	同一时刻只能有效访问一个成员	可同时访问所有成员，互不干扰

六、常见问题与注意事项

“共用体大小 = 最大成员大小”一定成立吗？
不一定。只有当最大成员大小是“最大对齐值”的整数倍时才成立（如实例 1）；若最大成员大小不满足对齐值（如实例 2 中最大成员大小 5 < 对齐值 4 的整数倍 8），则需补空，此时共用体大小 > 最大成员大小。
不同编译器的对齐规则是否一致？
基本规则一致，但默认对齐值可通过编译器指令修改（如 GCC 中的 __attribute__((aligned(n)))、MSVC 中的 #pragma pack(n)）。例如，若设置 #pragma pack(2)，则实例 2 中 union Test2 的最大对齐值变为 2，大小为 6（5 补空至 6，6 是 2 的整数倍）。
共用体成员的地址是否相同？
是的。由于所有成员共享起始地址，&union_var.a == &union_var.b == &union_var（以实例 1 为例）。

七、练习题（附答案）

练习 1：计算以下共用体的大小

union Ex1 {
    short s;    // 大小 2，对齐值 2
    char c[3];  // 大小 3，对齐值 1
    long l;     // 大小 4，对齐值 4
};

答案：4 字节

解析：最大对齐值为 4，最大成员大小为 4，4 是 4 的整数倍，无需补空。

练习 2：计算以下共用体的大小（假设编译器默认对齐值为 8）

struct Inner {
    float f;  // 大小 4，对齐值 4
    char ch;  // 大小 1，对齐值 1
};

union Ex2 {
    struct Inner in;  // 结构体大小？对齐值？
    long long ll;     // 大小 8，对齐值 8
};

答案：8 字节

解析：

先算 struct Inner：float f 占 0-3 字节，char ch 占 4 字节，大小 5；最大对齐值为 4，需补空至 8（4 的整数倍），因此结构体大小为 8，对齐值为 4。
共用体最大对齐值为 8（long long ll），最大成员大小为 8，满足对齐，最终大小 8。

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