强化阶段第3-4周：结构体内存占用计算与优化策略

在信息学奥赛CSP-S的备考过程中，掌握数据类型的高级应用是至关重要的。本周，我们将深入探讨用户自定义数据类型——结构体的内存占用计算，这是编程中一个既基础又复杂的知识点。通过本讲的学习，你将能够熟练计算结构体的总大小，理解内存对齐的原理，并掌握优化存储效率的技巧。

1. 结构体内存占用的基本概念

结构体是C语言中用于描述具有不同属性的复合数据类型。例如，一个机器人传感器结构体可能包含char、int、float等不同类型的成员。结构体的内存占用不仅取决于其成员的大小，还受到内存对齐规则的影响。

2. 内存对齐规则

内存对齐是指数据在内存中的起始地址必须是某个数（通常是2、4、8等）的倍数。这一规则旨在提高CPU访问内存的效率。例如，一个int类型通常需要对齐到4字节边界。

3. 结构体总大小的计算方法

计算结构体总大小时，需要考虑每个成员的大小以及内存对齐。具体步骤如下：

计算每个成员的偏移量：从结构体的起始地址开始，根据成员的大小和对齐规则计算每个成员的偏移量。
确定结构体的总大小：最后一个成员的偏移量加上其大小，再加上可能的对齐填充字节数。

4. 实例演示：机器人传感器结构体

假设我们有如下机器人传感器结构体：

struct Sensor {
    char type;
    int id;
    float value;
};

手动计算内存占用

char type：占用1字节，偏移量为0。
int id：占用4字节，需要对齐到4字节边界。因此，type后面有3字节的填充，id的偏移量为4。
float value：占用4字节，偏移量为8（4 + 4）。

总大小为：1（type） + 3（填充） + 4（id） + 4（value） = 12字节。

利用offsetof宏获取成员偏移量

offsetof宏可以用来获取结构体成员的偏移量：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

int main() {
    printf("Offset of type: %zu
", offsetof(struct Sensor, type)); // 输出0
    printf("Offset of id: %zu
", offsetof(struct Sensor, id));     // 输出4
    printf("Offset of value: %zu
", offsetof(struct Sensor, value)); // 输出8
    return 0;
}