C/C++结构体大小差异探究：成员顺序与数据对齐的影响

二者包含相同类型与数据量，但编译后大小不同。以下是结构体定义、编译环境及输出结果：

#include <stdio.h>
// packing is done in 4 bytes size since int is the biggest in struct
struct bit_man1 {
    int a:5;        //5 bits                                 
    int b:8;        //5+8 =13 bits
    char abc[2];    //2 bytes 8 +8 +13= 29  bit
    int z:2;       // 2 bits 29+2 =31
  
        
};

struct bit_man2 {
    int a:5;        //5 bits                                 
    int b:8;        //5+8 =13 bits
    int z:2;        // 2 bits 13+2=15
    char abc[2];    //2 bytes 8 +8 +15= 31  bit
  
        
};

int main() {
    printf("Size of bit_man1: %zu bytes\n", sizeof(struct bit_man1));
    printf("Size of bit_man2: %zu bytes\n", sizeof(struct bit_man2));
    return 0;
}

编译环境（GCC版本） #

$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/lto-wrapper
OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none:amdgcn-amdhsa
OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-11/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++,m2 --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-11 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --enable-libphobos-checking=release --with-target-system-zlib=auto --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --enable-cet --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none=/build/gcc-11-XeT9lY/gcc-11-11.4.0/debian/tmp-nvptx/usr,amdgcn-amdhsa=/build/gcc-11-XeT9lY/gcc-11-11.4.0/debian/tmp-gcn/usr --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu --with-build-config=bootstrap-lto-lean --enable-link-serialization=2
Thread model: posix
Supported LTO compression algorithms: zlib zstd
gcc version 11.4.0 (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04)

输出结果 #

Size of bit_man1: 8 bytes
Size of bit_man2: 4 bytes

原因解析 #

核心在于C语言位域的存储规则：

• 同基础类型的位域会被打包到同一个该类型的存储单元中（这里int类型的存储单元为4字节/32位）。
• 如果位域序列中间插入了其他类型的成员，当前存储单元的剩余空间可被该成员占用，但后续的同类型位域无法复用这个存储单元，必须重新分配新的同类型存储单元。
• 结构体总大小必须是其最大基础类型（此处为int，4字节）的整数倍，满足内存对齐要求。

对bit_man2的分析：

• int a:5、int b:8、int z:2是连续的int类型位域，总共占用5+8+2=15位，打包到第一个4字节存储单元中。
• 后续的char abc[2]（16位）可放入该存储单元的剩余空间（32-15=17位），总共占用31位，剩余1位被浪费。
• 整个结构体仅占用1个4字节存储单元，总大小为4字节，符合对齐要求。

对bit_man1的分析：

• int a:5、int b:8先打包到第一个4字节存储单元，占用13位，剩余19位。
• 插入的char abc[2]（16位）占用该存储单元的剩余空间，此时该单元共使用13+16=29位，剩余3位被浪费。
• 后续的int z:2是int类型位域，因中间插入了char类型成员，无法复用第一个存储单元，必须重新分配一个4字节的存储单元。
• 结构体总大小为4+4=8字节，满足4字节对齐要求。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Rakshith B S