C 結(jié)構(gòu)體對齊

轉(zhuǎn)載結(jié)構(gòu)體對齊詳解

結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員對齊的意義

許多實際的計算機系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制吃媒，它們會要求這些數(shù)據(jù)的起始地址的值是某個數(shù)k的倍數(shù)绅项，這就是所謂的內(nèi)存對齊还栓，而這個k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對齊模數(shù)(alignment modulus)对嚼。這種強制的要求一來簡化了處理器與內(nèi)存之間傳輸系統(tǒng)的設(shè)計敲霍，二來可以提升讀取數(shù)據(jù)的速度。

比如這么一種處理器鹅颊，它每次讀寫內(nèi)存的時候都從某個8倍數(shù)的地址開始欣除，一次讀出或?qū)懭?個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假如軟件能保證double類型的數(shù)據(jù)都從8倍數(shù)地址開始挪略，那么讀或?qū)懸粋€double類型數(shù)據(jù)就只需要一次內(nèi)存操作。否則滔岳，我們就可能需要
兩次內(nèi)存操作才能完成這個動作杠娱，因為數(shù)據(jù)或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8字節(jié)內(nèi)存塊上。

結(jié)構(gòu)體對齊包括兩個方面的含義

結(jié)構(gòu)體總長度谱煤；

結(jié)構(gòu)體內(nèi)各數(shù)據(jù)成員的內(nèi)存對齊摊求，即該數(shù)據(jù)成員相對結(jié)構(gòu)體的起始位置；

結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟

將結(jié)構(gòu)體內(nèi)所有數(shù)據(jù)成員的長度值相加刘离，記為sum_a室叉；

將各數(shù)據(jù)成員為了內(nèi)存對齊，按各自對齊模數(shù)而填充的字節(jié)數(shù)累加到和sum_a上硫惕，記為sum_b茧痕。對齊模數(shù)是#pragma pack 指定的數(shù)值以及該數(shù)據(jù)成員自身長度中數(shù)值較小者。該數(shù)據(jù)相對起始位置應(yīng)該是對齊模式的整數(shù)倍;
將和sum_b向結(jié)構(gòu)體模數(shù)對齊恼除，該模數(shù)是 #pragma pack指定的數(shù)值 踪旷、 未指定#pragma pack時，系統(tǒng)默認的對齊模數(shù)（32位系統(tǒng)為4字節(jié)豁辉，64位為8字節(jié)） 和 結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大的基本數(shù)據(jù)類型成員 長度中數(shù)值較小者令野。結(jié)構(gòu)體的長度應(yīng)該是該模數(shù)的整數(shù)倍。

結(jié)構(gòu)體大小計算舉例

在計算之前徽级，我們首先需要明確的是各個數(shù)據(jù)成員的對齊模數(shù)气破，對齊模數(shù)和數(shù)據(jù)成員本身的長度以及pragma pack編譯參數(shù)有關(guān)，其值是二者中最小數(shù)餐抢。如果程序沒有明確指出现使，就需要知道編譯器默認的對齊模數(shù)值低匙。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基本數(shù)據(jù)類型的長度和默認對齊模數(shù)。

	char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32長度	1	2	4	4	4	8	8	8
模數(shù)	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32長度	1	2	4	4	4	8	8	12
模數(shù)	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64長度	1	2	4	8	4	8	8	16
模數(shù)	1	2	4	8	4	8	8	16

例子1:

struct my_struct 
{ 
    char a; 
    long double b; 
};

此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致朴下。

在Windows中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處努咐，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊殴胧，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則渗稍，其對齊模數(shù)是8，之前需填充7個字節(jié)团滥，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B
按照定義竿屹，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為4灸姊，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4拱燃。sum_b是4的4倍，不需再次對齊力惯。

綜上3步碗誉，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖1-1所示父晶。

在Linux中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處哮缺，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊甲喝，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則尝苇，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)埠胖，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B
按照定義糠溜，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為12后者為4直撤，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4非竿。sum_b是4的4倍，不需再次對齊谋竖。

綜上3步汽馋，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖1-2所示圈盔。

我是圖片.jpg

例子2:

#pragma pack(2) 
struct my_struct 
{ 
    char a; 
    long double b; 
}; 
#pragma pack()

例子1和例子2不同之處在于例子2中使用了 #pragma pack(2) 編譯參數(shù)豹芯，它強制指定對齊模數(shù)是2。此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致驱敲。

在Windows中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處铁蹈，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊众眨，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則握牧，其對齊模數(shù)是2容诬，之前需填充1個字節(jié)，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B
按照定義沿腰，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者览徒，前者為8后者為2，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是2颂龙。sum_b是2的5倍习蓬，不需再次對齊。

綜上3步措嵌，可知結(jié)構(gòu)體的長度是10B躲叼，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖2-1所示。

在Linux中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處企巢，之前不需要填充字節(jié)枫慷；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則浪规，其對齊模數(shù)是2或听，之前需填充1個字節(jié)，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B
按照定義笋婿，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者誉裆，前者為8后者為2，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是2萌抵。sum_b是2的7倍，不需再次對齊元镀。

綜上3步绍填，可知結(jié)構(gòu)體的長度是14B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖2-2所示栖疑。

我是圖片.jpg

例子3:

struct my_struct 
{ 
    char a; 
    double b; 
    char c; 
};

前兩例中讨永，數(shù)據(jù)成員在Linux和Windows下都相同，例3中double的對齊模數(shù)在Linux中是4遇革，在Windows下是8卿闹，針對這種模數(shù)不相同的情況加以分析。

在Windows中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處萝快，之前不需要填充字節(jié)锻霎；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則揪漩，其對齊模數(shù)是8旋恼，之前需填充7個字節(jié)，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B
按照定義奄容，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者冰更，前者為8后者為8产徊，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是8。sum_b應(yīng)該是8的整數(shù)倍蜀细，所以要在結(jié)構(gòu)體后填充8*3 - 17 = 7個字節(jié)舟铜。

綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B奠衔，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖3-1所示谆刨。

在Linux中計算步驟如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處涣觉，之前不需要填充字節(jié)痴荐；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則官册，其對齊模數(shù)是4生兆，之前需填充3個字節(jié)，sum_b = sum_a + 3 = 13B
按照定義膝宁，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma
pack中較小者鸦难，前者為8后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4员淫。sum_b應(yīng)該是4的整數(shù)倍合蔽，所以要在結(jié)構(gòu)體后填充4*4 - 13 = 3個字節(jié)。

綜上3步介返，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B拴事，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖3-2所示。

我是圖片.jpg

例子4:

struct my_struct 
{ 
    char a[11]; 
    int b; 
    char c; 
};

此例子Windows和Linux計算方法一樣圣蝎，如下：

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B

數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處刃宵，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊徘公，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則牲证，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)关面，sum_a + 1 = 17B --> sum_b = 17B
按照定義坦袍，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為4后者為4等太，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4捂齐。sum_b是4的整數(shù)倍，需在結(jié)構(gòu)體后填充4*5 - 17 = 1個字節(jié)缩抡。

綜上3步辛燥，可知結(jié)構(gòu)體的長度是20B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖4所示。

我是圖片.jpg

例子5:

struct my_test 
{ 
    int my_test_a; 
    char my_test_b; 
}; 

struct my_struct 
{ 
    struct my_test a; 
    double my_struct_a; 
    int my_struct_b; 
    char my_struct_c; 
};

例子5和前幾個例子均不同挎塌，在此例子中我們要計算struct my_struct的大小徘六，而my_struct中嵌套了一個my_test結(jié)構(gòu)體。這種結(jié)構(gòu)體應(yīng)該如何計算呢榴都？原則是將my_test在my_struct中先展開待锈，然后再計算，即是展開成如下結(jié)構(gòu)體：

struct my_struct
{
    int my_test_a;
    char my_test_b;
    double my_struct_a;
    int my_struct_b;
    char my_struct_c;
};

此例子Windows中的計算方法如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B

數(shù)據(jù)成員my_struct_a為了內(nèi)存對齊嘴高，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則竿音，其對齊模數(shù)是8，之前需填充3個字節(jié)：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B
按照定義拴驮，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者春瞬，前者為8后者為8，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是8套啤。sum_b是8的整數(shù)倍宽气，需在結(jié)構(gòu)體后填充3*8 - 21 = 3個字節(jié)。

綜上3步潜沦，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B萄涯，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖5所示。

此例子Linux中的計算方法如下:

所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B唆鸡，sum_a = 18B
數(shù)據(jù)成員my_struct_a為了內(nèi)存對齊涝影，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是4争占，之前需填充3個字節(jié)燃逻，sum_b = sum_a + 3 = 21B
按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma
pack中較小者臂痕，前者為4后者為4伯襟，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b是4的整數(shù)倍刻蟹，需在結(jié)構(gòu)體后填充6*4 - 21 = 3個字節(jié)逗旁。

綜上3步嘿辟，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B舆瘪，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖5所示。

我是圖片.jpg

源代碼附錄

上面的例子均在Windows(VC++6.0)和Linux(GCC4.1.0)上測試驗證红伦。下面是測試程序英古。

#include <iostream>

#include <stdio.h>

using namespace std;

int main()
{
    cout << "sizeof(char)        = " << sizeof(char) << endl;
    cout << "sizeof(short)       = " << sizeof(short) << endl;
    cout << "sizeof(int)         = " << sizeof(int) << endl;
    cout << "sizeof(long)        = " << sizeof(long) << endl;
    cout << "sizeof(float)       = " << sizeof(float) << endl;
    cout << "sizeof(double)      = " << sizeof(double) << endl;
    cout << "sizeof(long long)   = " << sizeof(long long) << endl;
    cout << "sizeof(long double) = " << sizeof(long double) << endl << endl;    

    // 例子1
    {
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            long double b; 
        };
        cout << "exapmle-1: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
 
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b);
    }

    // 例子2
    {
        #pragma pack(2) 
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            long double b; 
        }; 
        
        #pragma pack()
        struct my_struct data;
 
        cout << "exapmle-2: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b);
    }
    
    // 例子3
    {
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            double b; 
            char c; 
        }; 
 
        struct my_struct data;
 
        cout << "exapmle-3: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data.a, &data.b, &data.c);
    }

    // 例子4
    {
        struct my_struct 
        {  
            char a[11];  
            int b;  
            char c;  
        };
  
        cout << "example-4: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data, &data.b, &data.c);
    }

    // 例子5 
    {
        struct my_test 
        { 
            int my_test_a; 
            char my_test_b; 
        }; 
        
        struct my_struct 
        { 
            struct my_test a; 
            double my_struct_a; 
            int my_struct_b; 
            char my_struct_c; 
        }; 
        cout << "example-5: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
        printf("my_struct->my_test_a  : %u\n"
            "my_struct->my_test_b  : %u\n"
            "my_struct->my_struct_a: %u\n"
            "my_struct->my_struct_b: %u\n"
            "my_struct->my_struct_c: %u\n", &data.a.my_test_a, &data.a.my_test_b, 
            &data.my_struct_a, &data.my_struct_b, &data.my_struct_c);
    }

    return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果

//Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 28 19:20:26 UTC 2012 (641c197) x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 8
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 16

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 32
my_struct->a: 2163695552
my_struct->b: 2163695568

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 18
my_struct->a: 2163695680
my_struct->b: 2163695682

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->a: 2163695648
my_struct->b: 2163695656
my_struct->c: 2163695664

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 2163695616
my_struct->b: 2163695628
my_struct->c: 2163695632

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 2163695584
my_struct->my_test_b  : 2163695588
my_struct->my_struct_a: 2163695592
my_struct->my_struct_b: 2163695600
my_struct->my_struct_c: 2163695604

//Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 26 09:36:26 UTC 2012 (641c197) i686 i686 i386 GNU/Linux
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 4
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 12

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 3213889904
my_struct->b: 3213889908

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14
my_struct->a: 3213889890
my_struct->b: 3213889892

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 3213889872
my_struct->b: 3213889876
my_struct->c: 3213889884

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 3213889852
my_struct->b: 3213889864
my_struct->c: 3213889868

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 3213889828
my_struct->my_test_b  : 3213889832
my_struct->my_struct_a: 3213889836
my_struct->my_struct_b: 3213889844
my_struct->my_struct_c: 3213889848

//CYGWIN_NT-6.1 motadou-PC 1.7.20(0.266/5/3) 2013-06-07 11:11 i686 Cygwin
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 4
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 12

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 2272336
my_struct->b: 2272340

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14
my_struct->a: 2272322
my_struct->b: 2272324

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->a: 2272296
my_struct->b: 2272304
my_struct->c: 2272312

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 2272276
my_struct->b: 2272288
my_struct->c: 2272292

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 2272248
my_struct->my_test_b  : 2272252
my_struct->my_struct_a: 2272256
my_struct->my_struct_b: 2272264
my_struct->my_struct_c: 2272268

最后編輯于：2017.12.04 06:44:26

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