sizeof(结构体)和内存对齐

   

sizeof(结构体)和内存对齐

2007年12月18日 星期二 13:37

有的时候，在脑海中停顿了很久的“显而易见”的东西，其实根本上就是错误的。就拿下面的问题来看：

struct T
{
char ch;
int i ;
} s;

使用sizeof(s)，将得到什么样的答案呢？要是以前，想都不用想，在32位机中，int是4个字节，char是1个字节，所以T一共是5个字 节。实践出真知，在VC6中测试了下，答案确实8个字节。哎，反正受伤的总是我，我已经有点麻木了，还是老老实实的接受吧！为什么答案和自己想象的有出入 呢？这里将引入内存对齐这个概念。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的 内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽 松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数 的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次 内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要 求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序 数据都应该尽可能地对齐。

ANSI C标准中并没有规定，相邻声明的变量在内存中一定要相邻。为了程序的高效性，内存对齐问题由编译器自行灵活处理，这样导致相邻的变量之间可能会有一些填充 字节。对于基本数据类型(int char)，他们占用的内存空间在一个确定硬件系统下有个确定的值，所以，接下来我们只是考虑结构体成员内存分配情况。

Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80×86)的对齐策略：
1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
备注：编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能被该基本数据类型所整除的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为上面介绍的对齐模数。
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
备注:为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要，编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。
备注：结构体总大小是包括填充字节，最后一个成员满足上面两条以外，还必须满足第三条，否则就必须在最后填充几个字节以达到本条要求。

根据以上准则，在windows下，使用VC编译器，sizeof(T)的大小为8个字节。

而在GNU GCC编译器中，遵循的准则有些区别，对齐模数不是像上面所述的那样，根据最宽的基本数据类型来定。在GCC中，对齐模数的准则是：对齐模数最大只能是 4，也就是说，即使结构体中有double类型，对齐模数还是4，所以对齐模数只能是1，2，4。而且在上述的三条中，第2条里，offset必须是成员 大小的整数倍，如果这个成员大小小于等于4则按照上述准则进行，但是如果大于4了，则结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）只能按照 是4的整数倍来进行判断是否添加填充。
看如下例子：

struct T
{
char ch;
double d ;
} s;

那么在GCC下，sizeof(s)应该等于12个字节。

如果结构体中含有位域(bit-field)，那么VC中准则又要有所更改：
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式（不同位域字段存放在不同的位域类型字节中），Dev-C++和GCC都采取压缩方式；
备注：当两字段类型不一样的时候，对于不压缩方式，例如：

struct N
{
char c:2;
int i:4;
};

依然要满足不含位域结构体内存对齐准则第2条，i成员相对于结构体首地址的偏移应该是4的整数倍，所以c成员后要填充3个字节，然后再开辟4个字节 的空间作为int型，其中4位用来存放i，所以上面结构体在VC中所占空间为8个字节；而对于采用压缩方式的编译器来说，遵循不含位域结构体内存对齐准则 第2条，不同的是，如果填充的3个字节能容纳后面成员的位，则压缩到填充字节中，不能容纳，则要单独开辟空间，所以上面结构体N在GCC或者Dev-C+ +中所占空间应该是4个字节。

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；
备注：
结构体5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

typedef struct
{
   char c:2;
   double i;
   int c2:4;
}N3;

在GCC下占据的空间为16字节，在VC下占据的空间应该是24个字节。

ps:

对齐模数的选择只能是根据基本数据类型，所以对于结构体中嵌套结构体，只能考虑其拆分的基本数据类型。而对于对齐准则中的第2条，确是要将整个结构体看成是一个成员，成员大小按照该结构体根据对齐准则判断所得的大小。

类对象在内存中存放的方式和结构体类似，这里就不再说明。需要指出的是，类对象的大小只是包括类中非静态成员变量所占的空间，如果有虚函数，那么再另外增加一个指针所占的空间即可。