結構體struct的對齊問題

2021-06-17 00:54:18 字數 3131 閱讀 4752

c語言結構體對齊也是老生常談的話題了。基本上是面試題的必考題。內容雖然很基礎,但一不小心就會弄錯。寫出乙個struct,然後sizeof,你會不會經常對結果感到奇怪?sizeof的結果往往都比你宣告的變數總長度要大,這是怎麼回事呢?

開始學的時候,也被此類問題困擾很久。其實相關的文章很多,感覺說清楚的不多。結構體到底怎樣對齊?

有人給對齊原則做過總結,具體在**看到現在已記不起來,這裡引用一下前人的經驗(在沒有#pragma pack巨集的情況下):

原則1、資料成員對齊規則:結構(struct或聯合union)的資料成員,第乙個資料成員放在offset為0的地方,以後每個資料成員儲存的起始位置要從該成員大小的整數倍開始(比如int在32位機為4位元組,則要從4的整數倍位址開始儲存)。

原則2、結構體作為成員:如果乙個結構裡有某些結構體成員,則結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍位址開始儲存。(struct a裡存有struct b,b裡有char,int,double元素,那b應該從8的整數倍開始儲存。)

原則3、收尾工作:結構體的總大小,也就是sizeof的結果,必須是其內部最大成員的整數倍,不足的要補齊。

這三個原則具體怎樣理解呢?我們看下面幾個例子,通過例項來加深理解。

例1:struct a;

structb;

sizeof(a) = 6; 這個很好理解,三個short都為2。

sizeof(b) = 8; 這個比是不是比預想的大2個位元組?long為4,short為2,整個為8,因為原則3。

例2:struct a;

struct b;

sizeof(a) = 8; int為4,char為1,short為2,這裡用到了原則1和原則3。

sizeof(b) = 12; 是否超出預想範圍?char為1,int為4,short為2,怎麼會是12?還是原則1和原則3。

深究一下,為什麼是這樣,我們可以看看記憶體裡的布局情況。

a b c

a的記憶體布局:1111, 1*, 11

b a c

b的記憶體布局:1***, 1111, 11**

其中星號*表示填充的位元組。a中,b後面為何要補充乙個位元組?因為c為short,其起始位置要為2的倍數,就是原則1。c的後面沒有補充,因為b和c正好占用4個位元組,整個a占用空間為4的倍數,也就是最大成員int型別的倍數,所以不用補充。

b中,b是char為1,b後面補充了3個位元組,因為a是int為4,根據原則1,起始位置要為4的倍數,所以b後面要補充3個位元組。c後面補充兩個位元組,根據原則3,整個b占用空間要為4的倍數,c後面不補充,整個b的空間為10,不符,所以要補充2個位元組。

再看乙個結構中含有結構成員的例子:

例3:struct a;

struct b;

sizeof(a) = 24; 這個比較好理解,int為4,double為8,float為4,總長為8的倍數,補齊,所以整個a為24。

sizeof(b) = 48; 看看b的記憶體布局。

e f g h i 

b的記憶體布局:11* *, 1111, 11111111, 11 * * * * * *, 1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *

i其實就是a的記憶體布局。i的起始位置要為24的倍數,所以h後面要補齊。把b的記憶體布局弄清楚,有關結構體的對齊方式基本就算掌握了。

以上講的都是沒有#pragma pack巨集的情況,如果有#pragma pack巨集,對齊方式按照巨集的定義來。比如上面的結構體前加#pragma pack(1),記憶體的布局就會完全改變。sizeof(a) = 16; sizeof(b) = 32;

有了#pragma pack(1),記憶體不會再遵循原則1和原則3了,按1位元組對齊。沒錯,這不是理想中的沒有記憶體對齊的世界嗎。

a b c

a的記憶體布局:1111, 11111111, 1111

e f g h i 

b的記憶體布局:11, 1111, 11111111, 11 , 1111, 11111111, 1111

那#pragma pack(2)的結果又是多少呢?#pragma pack(4)呢?留給大家自己思考吧,相信沒有問題。

還有一種常見的情況,結構體中含位域字段。位域成員不能單獨被取sizeof值。c99規定int、unsigned int和bool可以作為位域型別,但編譯器幾乎都對此作了擴充套件,允許其它型別型別的存在。

使用位域的主要目的是壓縮儲存,其大致規則為: 

1) 如果相鄰位域字段的型別相同,且其位寬之和小於型別的sizeof大小,則後面的字段將緊鄰前乙個字段儲存,直到不能容納為止; 

2) 如果相鄰位域字段的型別相同,但其位寬之和大於型別的sizeof大小,則後面的字段將從新的儲存單元開始,其偏移量為其型別大小的整數倍; 

3) 如果相鄰的位域字段的型別不同,則各編譯器的具體實現有差異,vc6採取不壓縮方式,dev-c++採取壓縮方式; 

4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段,則不進行壓縮; 

5) 整個結構體的總大小為最寬基本型別成員大小的整數倍。

還是讓我們來看看例子。

例4:struct a;

a b c

a的記憶體布局:111, 1111 *, 11111 * * *

位域型別為char,第1個位元組僅能容納下f1和f2,所以f2被壓縮到第1個位元組中,而f3只能從下乙個位元組開始。因此sizeof(a)的結果為2。

例5:struct b;

由於相鄰位域型別不同,在vc6中其sizeof為6,在dev-c++中為2。

例6:struct c;

非位域字段穿插在其中,不會產生壓縮,在vc6和dev-c++中得到的大小均為3。

考慮乙個問題,為什麼要設計記憶體對齊的處理方式呢?如果體系結構是不對齊的,成員將會乙個挨乙個儲存,顯然對齊更浪費了空間。那麼為什麼要使用對齊呢?體系結構的對齊和不對齊,是在時間和空間上的乙個權衡。對齊節省了時間。假設乙個體繫結構的字長為w,那麼它同時就假設了在這種體系結構上對寬度為w的資料的處理最頻繁也是最重要的。它的設計也是從優先提高對w位資料操作的效率來考慮的。有興趣的可以google一下,人家就可以跟你解釋的,一大堆的道理。

最後順便提一點,在設計結構體的時候,一般會尊照乙個習慣,就是把占用空間小的型別排在前面,占用空間大的型別排在後面,這樣可以相對節約一些對齊空間。

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