c中结构体边界对齐（转）

c中结构体边界对齐（转）  

2011-11-23 11:15:52|  分类： C&C++ |  标签：c  结构体  对齐   |字号大中小 

C语言结构体对齐也是老生常谈的话题了。基本上是面试题的必考题。结构体到底怎样对齐？下面总结了对齐原则，在没有#pragma pack宏的情况下：

一.普通的对齐（默认对齐参数）

原则1、普通数据成员对齐规则：第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int在32位机为４字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

原则2、结构体成员对齐规则：如果一个结构里有某些结构体成员，则该结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储。）

原则3、结构体大小对齐规则：结构体大小也就是sizeof的结果，必须是其内部成员中最大的对齐参数的整数倍，不足的要补齐。

补 充一点，如果数组作为结构体成员，比如：char a[3]。它的对齐方式和分别写3个char是一样的，也就是说它还是按1个字节对齐。如果写： typedef char Array3[3]；Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐，而不是按它的长度3对齐。如果共用体作为结构体成员，则该共用体成员要从其内部 最大元素大小的整数倍地址开始存储。

还有一种对齐原则，和上面三条一致，可以参考着理解。

成员对齐有一个重要的条件，即每个成员按自己的方式对齐。其对齐的规则是，每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里默认是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

这三个原则具体怎样理解呢？我们看下面几个例子，通过实例来加深理解。

例1：struct {
              short a1;
              short a2;
              short a3;
       }A;

       struct{
              long a1;
              short a2;
      }B;

sizeof(A) = 6; 这个很好理解，三个short都为2。

sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节？long为4，short为2，整个为8，因为原则3。

例2：struct A{
               int a;
               char b;
               short c;
        };

        struct B{
               char b;
               int a;
               short c;
       };

sizeof(A) = 8; int为4，char为1，short为2，这里用到了原则1和原则3。

sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围？char为1，int为4，short为2，怎么会是12？还是原则1和原则3。

深究一下，为什么是这样，我们可以看看内存里的布局情况。

                    a        b   c
A的内存布局：1111, 1*,11

                    b       a       c
B的内存布局：1***,1111,11**

其 中星号*表示填充的字节。A中，b后面为何要补充一个字节？因为c为 short，其起始位置要为2的倍数，就是原则1。c的后面没有补充，因为b和c正好占用4个字节，整个A占用空间为4的倍数，也就是最大成员int类型 的倍数，所以不用补充。B中，b是char为1，b后面补充了3个字节，因为a是int为4，根据原则1，起始位置要为4的倍数，所以b后面要补充3个字 节。c后面补充两个字节，根据原则3，整个B占用空间要为4的倍数，c后面不补充，整个B的空间为10，不符，所以要补充2个字节。

再看一个结构中含有结构成员的例子：

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; 这个比较好理解，int为4，double为8，float为4，总长为8的倍数，补齐，所以整个A为24。

sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                    e         f       g                h                      i  
B 的内存布局：11* *,1111,11111111, 11 * * * * * *,1111* * * *, 11111111, 1111 * * * * 。 i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数，所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚，有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

以 上讲的都是没有#pragma pack宏的情况，如果有#pragma pack宏，对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragma pack(1)，内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;有了#pragma pack(1)，内存不会再遵循原则1和原则3了，按1字节对齐。没错，这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

                    a       b               c
A的内存布局：1111,11111111,1111

                    e    f       g               h   i  
B的内存布局：11,1111,11111111,11,1111, 11111111, 1111 

 那#pragma pack(2)的结果又是多少呢？#pragma pack(4)呢？留给大家自己思考吧，相信没有问题。

 还有一种常见的情况，结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：  
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，Dev-C++采取压缩方式；  
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；  
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。

还是让我们来看看例子。

例4：struct A{  
               char f1 : 3;  
               char f2 : 4;  
               char f3 : 5;  
       };

                    a      b          c
A的内存布局：111,1111 *,11111 * * *

位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

例5：struct B{  
               char f1 : 3;  
               short f2 : 4;  
               char f3 : 5;  
       };

由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C++中为2。

例6：struct C{  
               char f1 : 3;  
               char f2;  
               char f3 : 5;  
       };

非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

考 虑一个问题，为什么要设计内存对齐的处理方式呢？如果体系结构是不对齐 的，成员将会一个挨一个存储，显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢？体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假 设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率 来考虑的。有兴趣的可以google一下，人家就可以跟你解释的，一大堆的道理。

最后顺便提一点，在设计结构体的时候，一般会尊照一个习惯，就是把占用空间小的类型排在前面，占用空间大的类型排在后面，这样可以相对节约一些对齐空间。

二.含有对齐参数的对齐

先来说说为什么要有边界对齐：

简 单说，任何CPU都有一个固定的基本长度，下面以32位CPU为例（也有64位或其他的）。CPU在工作时只能按照该长度的整倍数为边界进行内存操作。即 只能从地址0、32、64、96...处进行存取，而不能从27、58、83等非边界地址处进行。如果一定要取这些非边界地址处的内容，则必须用若干个操 作将其凑出来，因而大大影响存取效率。

另 一方面，一个结构体的设计长度却并不一定是32的倍数，例如一个包含六个字符的结构其设计长度仅为48位。如果多个这样的结构在内存中顺着摆放，则许多结 构的起始地址将不在边界处。因此，编译程序总是会将每个结构的尾部都加入一些必要的空白，将其凑成32的整数倍。这就是边界对齐的基本道理。

下面开始谈边界对齐：

#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa;
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestB);
　　这里nSize结果为12，在预料之中。

　　现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestC);
　　按照正常的填充方式nSize的结果应该是8，为什么结果显示nSize为6呢？

事实上，很多人对#pragma pack的理解是错误的。
#pragma pack规定的对齐长度，实际使用的规则是：
结构，联合，或者类的数据成员，第一个放在偏移为0的地方，以后每个数据成员的对齐，按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
也就是说，当#pragma pack的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个值的大小将不产生任何效果。
而结构整体的对齐，则按照结构体中最大的数据成员 和 #pragma pack指定值 之间，较小的那个进行。

具体解释
#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
这个类实际占据的内存空间是9字节
类之间的对齐，是按照类内部最大的成员的长度，和#pragma pack规定的值之中较小的一个对齐的。
所以这个例子中，类之间对齐的长度是min(sizeof(int),4)，也就是4。
9按照4字节圆整的结果是12，所以sizeof(TestB)是12。

如果
#pragma pack(2)
class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
//可以看出，上面的位置完全没有变化，只是类之间改为按2字节对齐，9按2圆整的结果是10。
//所以 sizeof(TestB)是10。

最后看原贴：
现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;//第一个成员，放在[0]偏移的位置，
　　　　short b;//第二个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[2,3]的位置。
　　　　char c;//第三个，自身长为1，放在[4]的位置。
　　};
//整个类的大小是5字节，按照min(sizeof(short),4)字节对齐，也就是2字节对齐，结果是6
//所以sizeof(TestC)是6。

当数据定义中出现__declspec( align() )时，指定类型的对齐长度还要用自身长度和这里指定的数值比较，然后取其中较大的。最终类/结构的对齐长度也需要和这个数值比较，然后取其中较大的。

可以这样理解， __declspec( align() ) 和 #pragma pack是一对兄弟，前者规定了对齐的最小值，后者规定了对齐的最大值，两者同时出现时，前者拥有更高的优先级。
__declspec( align() )的一个特点是，它仅仅规定了数据对齐的位置，而没有规定数据实际占用的内存长度，当指定的数据被放置在确定的位置之后，其后的数据填充仍然是按照#pragma pack规定的方式填充的，这时候类/结构的实际大小和内存格局的规则是这样的：
在__declspec( align() )之前，数据按照#pragma pack规定的方式填充，如前所述。当遇到__declspec( align() )的时候，首先寻找距离当前偏移向后最近的对齐点（满足对齐长度为max(数据自身长度,指定值) )，然后把被指定的数据类型从这个点开始填充，其后的数据类型从它的后面开始，仍然按照#pragma pack填充，直到遇到下一个__declspec( align() )。
当所有数据填充完毕，把结构的整体对齐数值和__declspec( align() )规定的值做比较，取其中较大的作为整个结构的对齐长度。
特别的，当__declspec( align() )指定的数值比对应类型长度小的时候，这个指定不起作用。

如果代码: 
#pragma pack(8) 
struct S1{ 
char a; 
long b; 
}; 
struct S2 { 
char c; 
struct S1 d; 
long e; 
}; 
#pragma pack() 
sizeof(S2)结果为16. 
成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐. 
也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节. 
S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8; 
S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中 最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是4个字节,它是默认按4字节对齐,和指定的一样,所以它对到4字节的边界上,这时,已 经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第12个字节开始放置成员e.这时,长度为16,已经可以被4(成员e按4字节对齐)整除.这样,一 共使用了16个字节. 
a b 
S1的内存布局：11**,1111, 
c S1.a S1.b d 
S2的内存布局：1***,1***,1111,1111 

这里有三点很重要: 
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度 
2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度 
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐