sizeof和字节对齐

   这两天在写图像的网络发送程序，在与服务器端同步时，老是出错。Debug发现是取buffer中的值时，偏移量与预想的不一致。问题出现在两个struct上。这两个struct定义如下：

typedef struct
{
 unsigned short ID;
 unsigned short DataSize;
 char         data[506];
 unsigned short VerifyCode;
} _PKG;

typedef struct
{
 char BufHead[6];
 char BufDevide1[1];
 char BufDbName[11];
 char BufDevide2[1];
 _PKG m_Pkg;
 char BufDevide3[1];
 char BufTail[4];
} GH_PKG ;

用sizeof一下_PKG是512，但是GH_PKG不是536，是538!Why?:-)，怕什么，有google呢。g了一下，恍然大悟，原来如此呀，:-)。

下边是我google到的东东了，看了它们肯定你也明白了。:-)。感谢原作者。

1、 sizeof应用在结构上的情况

请看下面的结构：

struct MyStruct

{

double dda1;

char dda;

int type

};

对结构MyStruct采用sizeof会出现什么结果呢？sizeof(MyStruct)为多少呢？也许你会这样求：

sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13

但是当你测试上面结构的大小时，你会发现sizeof(MyStruct)为16。为什么？其实，这是编译器对变量存储的一个特殊处理。为了提高CPU的存储速度，编译器对一些变量的起始地址做了“对齐”处理。在默认情况下，规定各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数。下面列出常用类型的对齐方式：

类型	对齐方式（变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量）
Char	偏移量必须为sizeof(char)即1的倍数
int	偏移量必须为sizeof(int)即4的倍数
float	偏移量必须为sizeof(float)即4的倍数
double	偏移量必须为sizeof(double)即8的倍数
Short	偏移量必须为sizeof(short)即2的倍数

各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的对齐方式调整位置，空缺的字节编译器会自动填充。同时编译器为了确保结构的大小为结构的字节边界数（即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数）的倍数，所以在为最后一个成员变量申请空间后，还会根据需要自动填充空缺的字节。

下面用前面的例子来说明编译器到底怎么样来存放结构的。

struct MyStruct

{

double dda1;

char dda;

int type

}；

为上面的结构分配空间的时候，编译器根据成员变量出现的顺序和对齐方式，先为第一个成员dda1分配空间，其起始地址跟结构的起始地址相同（偏移量0刚好为sizeof(double)的倍数），该成员变量占用sizeof(double)=8个字节；接下来为第二个成员dda分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为8，是sizeof(char)的倍数，所以把dda存放在偏移量为8的地方满足对齐方式，该成员变量占用sizeof(char)=1个字节；接下来为第三个成员type分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为9，不是sizeof(int)=4的倍数，为了满足对齐方式对偏移量的约束问题，编译器自动填充3个字节（这三个字节没有放什么东西），这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为12，刚好是sizeof(int)=4的倍数，所以把type存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof(int)=4个字节；这时整个结构的成员变量已经都分配了空间，总的占用的空间大小为：8+1+3+4=16，刚好为结构的字节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以没有空缺的字节需要填充。所以整个结构的大小为：sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16，其中有3个字节是编译器自动填充的，没有放任何有意义的东西。

下面再举个例子，交换一下上面的MyStruct的成员变量的位置，使它变成下面的情况：

struct MyStruct

{

 char dda;

 double dda1; 

 int type

}；

这个结构占用的空间为多大呢？在gcc环境下，可以得到sizeof(MyStruc)为24。结合上面提到的分配空间的一些原则，分析下gcc是怎么为上面的结构分配空间的。（简单说明）

struct MyStruct

{

  char dda;//偏移量为0，满足对齐方式，dda占用1个字节；

 double dda1;//下一个可用的地址的偏移量为1，不是sizeof(double)=8

             //的倍数，需要补足7个字节才能使偏移量变为8（满足对齐

             //方式），因此gcc自动填充7个字节，dda1存放在偏移量为8

             //的地址上，它占用8个字节。

 int type；//下一个可用的地址的偏移量为16，是sizeof(int)=4的倍

           //数，满足int的对齐方式，所以不需要gcc自动填充，type存

           //放在偏移量为16的地址上，它占用4个字节。

}；//所有成员变量都分配了空间，空间总的大小为1+7+8+4=20，不是结构

   //的节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof

   //(double)=8）的倍数，所以需要填充4个字节，以满足结构的大小为

   //sizeof(double)=8的倍数。

 

所以该结构总的大小为：sizeof(MyStruc)为1+7+8+4+4=24。其中总的有7+4=11个字节是gcc自动填充的，没有放任何有意义的东西。

 

gcc对结构的存储的特殊处理确实提高CPU存储变量的速度，但是有时候也带来了一些麻烦，我们也可以屏蔽掉变量默认的对齐方式，自己设定变量的对齐方式。gcc

中提供了#pragma pack(n)来设定变量以n字节对齐方式。n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数；

否则必须为n的倍数。下面举例说明其用法。

#pragma pack(push) //保存对齐状态

#pragma pack(4)//设定为4字节对齐

struct test

{

  char m1;

  double m4;

  int  m3;

};

#pragma pack(pop)//恢复对齐状态

以上结构的大小为16，下面分析其存储情况，首先为m1分配空间，其偏移量为0，满足我们自己设定的对齐方式（4字节对齐），m1占用1个字节。接着开始为m4分配空间，这时其偏移量为1，需要补足3个字节，这样使偏移量满足为n=4的倍数（因为sizeof(double)大于n）,m4占用8个字节。接着为m3分配空间，这时其偏移量为12，满足为4的倍数，m3占用4个字节。这时已经为所有成员变量分配了空间，共分配了16个字节，满足为n的倍数。如果把上面的#pragma pack(4)改为#pragma pack(16)，那么我们可以得到结构的大小为24。

2、 sizeof用法总结

在C中，sizeof有着许多的用法，而且很容易引起一些错误。下面根据sizeof后面的参数对sizeof的用法做个总结。

A．  参数为数据类型或者为一般变量。例如sizeof(int),sizeof(long)等等。这种情况要注意的是不同系统系统或者不同编译器得到的结果可能是不同的。例如int类型在16位系统中占2个字节，在32位系统中占4个字节。

B．  参数为数组或指针。下面举例说明.

int a[50];  //sizeof(a)=4*50=200; 求数组所占的空间大小

int *a=new int[50];// sizeof(a)=4; a为一个指针，sizeof(a)是求指针

                   //的大小,在32位系统中，当然是占4个字节。

C．  参数为结构或类。Sizeof应用在类和结构的处理情况是相同的。但有两点需要注意，第一、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关。第二、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。

下面举例说明，

Class Test{int a;static double c};//sizeof(Test)=4.

Test *s;//sizeof(s)=4,s为一个指针。

Class test1{ };//sizeof(test1)=1;

D．  参数为其他。下面举例说明。

   int func(char s[5]);

   {

     cout<这里将输出4，本来s为一个数组，但由于做为函

                     //数的参数在传递的时候系统处理为一个指针，所

                     //以sizeof(s)实际上为求指针的大小。

     return 1;

}

sizeof(func(“1234”))=4//因为func的返回类型为int，所以相当于

                     //求sizeof(int).

 

以上为sizeof的基本用法，在实际的使用中要注意分析gcc的分配变量的分配策略，这样的话可以避免一些错误。

 

  在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

     例如，下面的结构各成员空间分配情况：
struct test
{
     char x1;
     short x2;
     float x3;
     char x4;
};
     结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

更改C编译器的缺省字节对齐方式
     在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：
　　· 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
    · 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

     另外，还有如下的一种方式：
     · __attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
     · __attribute__ ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。

应用实例

　　在网络协议编程中，经常会处理不同协议的数据报文。一种方法是通过指针偏移的方法来得到各种信息，但这样做不仅编程复杂，而且一旦协议有变化，程序修改起来也比较麻烦。在了解了编译器对结构空间的分配原则之后，我们完全可以利用这一特性定义自己的协议结构，通过访问结构的成员来获取各种信息。这样做，不仅简化了编程，而且即使协议发生变化，我们也只需修改协议结构的定义即可，其它程序无需修改，省时省力。下面以TCP协议首部为例，说明如何定义协议结构。其协议结构定义如下：

#pragma pack(1) // 按照1字节方式进行对齐
struct TCPHEADER
{
     short SrcPort; // 16位源端口号
     short DstPort; // 16位目的端口号
     int SerialNo; // 32位序列号
     int AckNo; // 32位确认号
     unsigned char HaderLen : 4; // 4位首部长度
     unsigned char Reserved1 : 4; // 保留6位中的4位
     unsigned char Reserved2 : 2; // 保留6位中的2位
     unsigned char URG : 1;
     unsigned char ACK : 1;
     unsigned char PSH : 1;
     unsigned char RST : 1;
     unsigned char SYN : 1;
     unsigned char FIN : 1;
     short WindowSize; // 16位窗口大小
     short TcpChkSum; // 16位TCP检验和
     short UrgentPointer; // 16位紧急指针
};
#pragma pack() // 取消1字节对齐方式

 

Intel和微软和本公司同时出现的面试题

#pragma pack(8)

struct s1{
short a;
long b;
};

struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};

#pragma pack()

问
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的s1中的c后面空了几个字节接着是d?

正确答案:
如果代码:
#pragma pack(8)
struct S1{
    char a;
    long b;
};
struct S2 {
    char c;
    struct S1 d;
    long long e;
};
#pragma pack()
sizeof(S2)结果为24.
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8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8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16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24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***,11**,1111,****11111111

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


补充一下,对于数组,比如:
char a[3];这种,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.
不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个.

结构对齐是基础知识,这种问题只有一个目的,就是看你对语言细节的了解程度.
在网络通讯,多个模块交互的应用中这种东西是很常见.这一类的东西还有像__stdcall,__cdecl,volatile,mutable这些东西.平常学习中很难遇到,但实际工作中却会用.__stdcall, __cdecl参数传入的顺序从右到左，不同是前者修改的函数的参数stack从被调用者清除，而后者由调用者清除。所以后者编译出来的二进制代码比较前者大。volatile 定义的变量防止被编译器优化掉。
mutable定义的变量一般都非静态或者非常量类成员。它允许常量类成员对其赋值。