解析C語言結(jié)構(gòu)體對齊(內(nèi)存對齊問題)
C語言結(jié)構(gòu)體對齊也是老生常談的話題了。基本上是面試題的必考題圾叼。內(nèi)容雖然很基礎(chǔ)榨惠，但一不小心就會弄錯。寫出一個struct憾赁，然后sizeof污朽，你會不會經(jīng)常對結(jié)果感到奇怪？sizeof的結(jié)果往往都比你聲明的變量總長度要大龙考，這是怎么回事呢蟆肆？
????開始學(xué)的時候，也被此類問題困擾很久晦款。其實相關(guān)的文章很多炎功，感覺說清楚的不多。結(jié)構(gòu)體到底怎樣對齊缓溅？
????有人給對齊原則做過總結(jié)蛇损，具體在哪里看到現(xiàn)在已記不起來，這里引用一下前人的經(jīng)驗（在沒有#pragma pack宏的情況下）：
????原則1、數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)（struct或聯(lián)合union）的數(shù)據(jù)成員淤齐，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方束世，以后每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員大小的整數(shù)倍開始（比如int在32位機為４字節(jié)，則要從4的整數(shù)倍地址開始存儲）床玻。
????原則2毁涉、結(jié)構(gòu)體作為成員：如果一個結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員，則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲锈死。（struct a里存有struct b贫堰，b里有char，int待牵，double等元素其屏，那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲。）
????原則3缨该、收尾工作：結(jié)構(gòu)體的總大小偎行，也就是sizeof的結(jié)果，必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍贰拿，不足的要補齊蛤袒。
????這三個原則具體怎樣理解呢？我們看下面幾個例子膨更，通過實例來加深理解妙真。
例1：struct {
short a1;
short a2;
short a3;
}A;
struct{
long a1;
short a2;
}B;
??????????sizeof(A) = 6; 這個很好理解，三個short都為2荚守。
??????????sizeof(B) = 8; 這個比是不是比預(yù)想的大2個字節(jié)珍德？long為4，short為2矗漾，整個為8锈候，因為原則3。
例2：struct A{
int a;
char b;
short c;
};
struct B{
char b;
int a;
short c;
};
???????sizeof(A) = 8; int為4敞贡，char為1泵琳，short為2，這里用到了原則1和原則3嫡锌。
???????sizeof(B) = 12; 是否超出預(yù)想范圍虑稼？char為1，int為4势木，short為2，怎么會是12歌懒？還是原則1和原則3啦桌。
???深究一下，為什么是這樣，我們可以看看內(nèi)存里的布局情況甫男。
a?????????b?????????c
A的內(nèi)存布局：1111,?????1*,???????11
b??????????a????????c
B的內(nèi)存布局：1***,?????1111,???11**
???其中星號*表示填充的字節(jié)且改。A中，b后面為何要補充一個字節(jié)板驳？因為c為short又跛，其起始位置要為2的倍數(shù)，就是原則1若治。c的后面沒有補充慨蓝，因為b和c正好占用4個字節(jié)，整個A占用空間為4的倍數(shù)端幼，也就是最大成員int類型的倍數(shù)礼烈，所以不用補充。
???B中婆跑，b是char為1此熬，b后面補充了3個字節(jié)，因為a是int為4滑进，根據(jù)原則1犀忱，起始位置要為4的倍數(shù)，所以b后面要補充3個字節(jié)扶关。c后面補充兩個字節(jié)峡碉，根據(jù)原則3，整個B占用空間要為4的倍數(shù)驮审，c后面不補充鲫寄，整個B的空間為10，不符疯淫，所以要補充2個字節(jié)地来。
???再看一個結(jié)構(gòu)中含有結(jié)構(gòu)成員的例子：
例3：struct A{
int a;
double b;
float c;
};
struct B{
char e[2];
int f;
double g;
short h;
struct A i;
};
???????sizeof(A) = 24; 這個比較好理解，int為4熙掺，double為8未斑，float為4，總長為8的倍數(shù)币绩，補齊蜡秽，所以整個A為24。
???????sizeof(B) = 48; 看看B的內(nèi)存布局缆镣。
e?????????f?????????????g????????????????h????????????????????????????????????i
B的內(nèi)存布局：11* *,???1111,???11111111, 11 * * * * * *,????????1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *
????i其實就是A的內(nèi)存布局芽突。i的起始位置要為24的倍數(shù)，所以h后面要補齊董瞻。把B的內(nèi)存布局弄清楚寞蚌，有關(guān)結(jié)構(gòu)體的對齊方式基本就算掌握了田巴。
????以上講的都是沒有#pragma pack宏的情況，如果有#pragma pack宏挟秤，對齊方式按照宏的定義來壹哺。比如上面的結(jié)構(gòu)體前加#pragma pack(1)，內(nèi)存的布局就會完全改變艘刚。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;
????有了#pragma pack(1)管宵，內(nèi)存不會再遵循原則1和原則3了，按1字節(jié)對齊攀甚。沒錯箩朴，這不是理想中的沒有內(nèi)存對齊的世界嗎。
a????????????????b?????????????c
A的內(nèi)存布局：1111,?????11111111,???1111
e????????f?????????????g??????????h?????????????????????i
B的內(nèi)存布局：11,???1111,???11111111, 11 ,????????????1111, 11111111, 1111
???????那#pragma pack(2)的結(jié)果又是多少呢云稚？#pragma pack(4)呢隧饼？留給大家自己思考吧，相信沒有問題静陈。
???????還有一種常見的情況燕雁，結(jié)構(gòu)體中含位域字段。位域成員不能單獨被取sizeof值鲸拥。C99規(guī)定int拐格、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴展刑赶，允許其它類型類型的存在捏浊。
使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大致規(guī)則為：
1) 如果相鄰位域字段的類型相同撞叨，且其位寬之和小于類型的sizeof大小金踪，則后面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納為止牵敷；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同胡岔，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲單元開始枷餐，其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍靶瘸；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現(xiàn)有差異毛肋，VC6采取不壓縮方式怨咪，Dev-C++采取壓縮方式；
4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段润匙，則不進行壓縮诗眨；
5) 整個結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。
????????還是讓我們來看看例子趁桃。
例4：struct A{
char f1 : 3;
char f2 : 4;
char f3 : 5;
};
a????????b?????????????c
A的內(nèi)存布局：111,????1111 *,???11111 * * *
???????位域類型為char辽话，第1個字節(jié)僅能容納下f1和f2肄鸽，所以f2被壓縮到第1個字節(jié)中卫病，而f3只能從下一個字節(jié)開始油啤。因此sizeof(A)的結(jié)果為2。
例5：struct B{
char f1 : 3;
short f2 : 4;
char f3 : 5;
};
???????由于相鄰位域類型不同蟀苛，在VC6中其sizeof為6益咬，在Dev-C++中為2。
例6：struct C{
char f1 : 3;
char f2;
char f3 : 5;
};
???????非位域字段穿插在其中帜平，不會產(chǎn)生壓縮幽告，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。
???????考慮一個問題裆甩，為什么要設(shè)計內(nèi)存對齊的處理方式呢冗锁？如果體系結(jié)構(gòu)是不對齊的，成員將會一個挨一個存儲嗤栓，顯然對齊更浪費了空間冻河。那么為什么要使用對齊呢？體系結(jié)構(gòu)的對齊和不對齊茉帅，是在時間和空間上的一個權(quán)衡叨叙。對齊節(jié)省了時間。假設(shè)一個體系結(jié)構(gòu)的字長為w堪澎，那么它同時就假設(shè)了在這種體系結(jié)構(gòu)上對寬度為w的數(shù)據(jù)的處理最頻繁也是最重要的擂错。它的設(shè)計也是從優(yōu)先提高對w位數(shù)據(jù)操作的效率來考慮的。有興趣的可以google一下樱蛤，人家就可以跟你解釋的钮呀，一大堆的道理。
???????最后順便提一點昨凡，在設(shè)計結(jié)構(gòu)體的時候爽醋，一般會尊照一個習(xí)慣，就是把占用空間小的類型排在前面土匀，占用空間大的類型排在后面子房，這樣可以相對節(jié)約一些對齊空間。
