c語言 結構體對齊

2021-07-06 04:55:41 字數 4880 閱讀 6069

1:編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?

a.資料型別自身的對齊值:

對於char型資料,其自身對齊值為1,對於short型為2,對於int,float,double型別,其自身對齊值為4,單位位元組。

b.結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。

c.指定對齊值:#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

d.資料成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值

有效對齊值n是最終用來決定資料存放位址方式的值,最重要。有效對齊n,就是 表示「對齊在n上」,也就是說該資料的」存放起始位址%n=0」.而資料結構中的資料變數都是按定義的先後順序來排放的。第乙個資料變數的起始位址就是數 據結構的起始位址。結構體的成員變數要對齊排放,結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變數占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數 倍,結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。

例子分析:

struct b

;假 設b從位址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環境下,該值預設為4。第乙個成員變數b的自身對齊值是1,比指定或者預設指定 對齊值4小,所以其有效對齊值為1,所以其存放位址0x0000符合0x0000%1=0.

第二個成員變數a,其自身對齊值為4,所以有效對齊值也為4, 所以只能存放在起始位址為0x0004到0x0007這四個連續的位元組空間中,複核0x0004%4=0,且緊靠第乙個變數。

第三個變數c,自身對齊值為 2,所以有效對齊值也是2,可以存放在0x0008到0x0009這兩個位元組空間中,符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是b內容。

再看資料結構b的自身對齊值為其變數中最大對齊值(這裡是b)所以就是4,所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求, 0x0009到0x0000=10位元組,(10+2)%4=0。所以0x0000a到0x000b也為結構體b所占用。

故b從0x0000到0x000b 共有12個位元組,sizeof(struct b)=12;

其實如果就這乙個就來說它已將滿足位元組對齊了, 因為它的起始位址是0,因此肯定是對齊的,之所以在後面補充2個位元組,是因為編譯器為了實現結構陣列的訪問效率,試想如果我們定義了乙個結構b的陣列,那麼第乙個結構起始位址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照陣列的定義,陣列中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數倍,那麼下乙個結構的起始位址將是0x0000a,這顯然不能滿足結構的位址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍。

#pragma pack (2) /指定按2位元組對齊/

struct c

;#pragma pack () /取消指定對齊,恢復預設對齊/

第乙個變數b的自身對齊值為1,指定對齊值為2,所以,其有效對齊值為1,假設c從0x0000開始,那麼b存放在0x0000,符合0x0000%1= 0;

第二個變數,自身對齊值為4,指定對齊值為2,所以有效對齊值為2,所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續 位元組中,符合0x0002%2=0。

第三個變數c的自身對齊值為2,所以有效對齊值為2,順序存放在0x0006、0x0007中,符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節存放的是c的變數。又c的自身對齊值為4,所以c的有效對齊值為2。又8%2=0,c 只占用0x0000到0x0007的八個位元組。所以sizeof(struct c)=8.

結構體的sizeof

這是初學者問得最多的乙個問題,所以這裡有必要多費點筆墨。讓我們先看乙個結構體:

struct s1 ;

問sizeof(s1)等於多少?聰明的你開始思考了,char佔1個位元組,int佔4個位元組,那麼加起

來就應該是5。是這樣嗎?你在你機器上試過了嗎?也許你是對的,但很可能你是錯的!v

c6中按預設設定得到的結果為8。

why?為什麼受傷的總是我?

請不要沮喪,我們來好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結果等於物件或者型別所佔的記憶體位元組數,好吧,那就讓我們來看看s1的記憶體分配情況:

s1 s1 = ;

定義上面的變數後,加上斷點,執行程式,觀察s1所在的記憶體,你發現了什麼?

0012ff78: 61 cc cc cc ff ff ff ff

發現了什麼?怎麼中間夾雜了3個位元組的cc?看看msdn上的說明:

which may include padding bytes inserted for alignment.

原來如此,這就是傳說中的位元組對齊啊!乙個重要的話題出現了。

為什麼需要位元組對齊?計算機組成原理教導我們這樣有助於加快計算機的取數速度,否則就得多花指令週期了。為此,編譯器缺省會對結構體進行處理(實際上其它地方的資料變數也是如此),讓寬度為2的基本資料型別(short等)都位於能被2整除的位址上,讓寬度為4的基本資料型別(int等)都位於能被4整除的位址上,以此類推。這樣,兩個數中間就可能需要加入填充位元組,所以整個結構體的sizeof值就增長了。

讓我們交換一下s1中char與int的位置:

struct s2

;看看sizeof(s2)的結果為多少,怎麼還是8?再看看記憶體,原來成員c後面仍然有3個填充位元組,這又是為什麼啊?別著急,下面總結規律。

位元組對齊的細節和編譯器實現相關,但一般而言,滿足三個準則:

1) 結構體變數的首位址能夠被其最寬基本型別成員的大小整除

2) 結構體每個成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)都是成員大小的整數倍,如有需要編譯器會在成員之間加上填充位元組(internal adding);

3)結構體的總大小為結構體最寬基本型別成員大小整數倍,如有需要編譯器會在最末乙個成員之後加上填充位元組(trailing padding)。

對於上面的準則,有幾點需要說明:

1) 前面不是說結構體成員的位址是其大小的整數倍,怎麼又說到偏移量了呢?因為有了第1點存在,所以我們就可以只考慮成員的偏移量,這樣思考起來簡單。想想為什麼。

結構體某個成員相對於結構體首位址的偏移量可以通過巨集offsetof()來獲得,這個巨集也在

stddef.h中定義,如下:

#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)

例如,想要獲得s2中c的偏移量,方法為size_t pos = offsetof(s2, c);// pos等於4

2) 基本型別是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內建資料型別,這裡所說的「資料寬度」就是指其sizeof的大小。由於結構體的成員可以是復合型別,比如另外乙個結構體,所以在尋找最寬基本型別成員時,應當包括復合型別成員的子成員,而不是把復合成員看成是乙個整體。但在確定復合型別成員的偏移位置時則是將復合型別作為整體看待。

這裡敘述起來有點拗口,思考起來也有點撓頭,還是讓我們看看例子吧(具體數值仍以vc6為例,以後不再說明):

struct s3

; s1的最寬簡單成員的型別為int,s3在考慮最寬簡單型別成員時是將s1「打散」看的,所以s3的最寬簡單型別為int,這樣,通過s3定義的變數,其儲存空間首位址需要被4整除,整個sizeof(s3)的值也應該被4整除。

c1的偏移量為0,s的偏移量呢?這時s是乙個整體,它作為結構體變數也滿足前面三個準則,所以其大小為8,偏移量為4,c1與s之間便需要3個填充位元組,而c2與s之間就不需要了,

所以c2的偏移量為12,算上c2的大小為13,13是不能被4整除的,這樣末尾還得補上3個填

充位元組。最後得到sizeof(s3)的值為16。

通過上面的敘述,我們可以得到乙個公式:

結構體的大小等於最後乙個成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充位元組數目,即:

sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

到這裡,朋友們應該對結構體的sizeof有了乙個全新的認識,但不要高興得太早,有乙個影響sizeof的重要參量還未被提及,那便是編譯器的pack指令。它是用來調整結構體對齊方式的,不同編譯器名稱和用法略有不同,

vc6中通過#pragma pack實現,也可以直接修改

/zp編譯開關。#pragma pack的基本用法為:#pragma pack( n ),n為位元組對齊數,其取值為1、2、4、8、16,預設是8,如果這個值比結構體成員的sizeof值小,那麼該成員的偏移量應該以此值為準,即是說,結構體成員的偏移量應該取二者的最小值,公式如下:

offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )

再看示例:

#pragma pack(push) // 將當前pack設定壓棧儲存

#pragma pack(2)// 必須在結構體定義之前使用**

struct s1

; struct s3

;#pragma pack(pop) // 恢復先前的pack設定

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