記憶體對齊規則之我見

2023年03月23日星期四, 發表於武漢

如果你對本文有任何的建議或者疑問, 可以在這裡給我提 issues, 謝謝! :)

記憶體對齊的原因和理由就不多說了，主要是為了效能和平台移植等因素，編譯器對資料結構進行了記憶體對齊

考慮下面的例項：

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891011

1213

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1617

#includeusing namespace std;
struct a;
struct b;
int main()ubuf;
int aa;                 //佔4位元組空間,當前偏移量已補齊為20
double dou;             //佔8位元組空間
}bu;

sizeof(bu) = 4 + 13 + 3(補齊) + 4 + 8 = 32，分析方法類似，在計算aa的偏移量時，我們可以肯定的是一定是int型別的整數倍，由於不作任何緩衝補齊的情況下，number + buffer = 17位元組，為了符合規則1，需要填充3個位元組。

結構體bu稍微變換下aa和dou成員順序，則結果就大不相同:

123

4567

891011

struct bc
ubuf;
double dou;             //佔8位元組空間，當前偏移量已補齊為24
int aa;                 //佔4位元組空間，當前占用空間36位元組，最大double型別，還需要根據規則2補齊
}bu;

此時sizeof(bc) = 4 + 13 + 7(規則1補齊) + 8 + 4 + 4(規則2補齊) = 40 (8的整數倍)

我們可能對於結構體類包含union型別成員抱有疑慮，再考慮下面例項：

123

4567

struct bd
ubuf;
}bc;

執行結果是sizeof(bd) = 2 + 2 + 13 +3 = 20，可能你會問，為什麼不是2+13+1 = 16，這是因為union型別比較特殊，計算union成員的偏移量時，需要根據union內部最大成員型別來進行緩衝補齊，所以為了保證偏移量為union最大成員int型別的整數倍，需要在number(short型別)後面填充2個位元組，前面例子中number是int型別，就沒有這個必要了。

再比如:

123

4567

struct be
ubuf;
}bc;

它的執行結果是sizeof(be) = 2 + 6 + 13 + 3 = 24，number後面為了與double型別進行對齊而補齊了6個位元組，最後再按照規則2補齊了3個位元組

考慮規則3:

舉個例子，在#pragma pack(1)時，以1個位元組對齊時，屬於最簡單的情況，結構體大小是所有成員的型別大小的和。所以sizeof(bu) = sizeof(bc) = 29,這時與成員變數順序不再相關。其他指定的位元組對齊也很好分析。一般而言，奇數個位元組對齊沒有意義，正常情況下，編碼人員不關心編譯器對記憶體對齊所作的工作。

上面的例子都想明白之後，記憶體對齊的規則應該了然於胸了。 :)

ps: c語言中offsetof()函式可用於檢視特定的結構體成員在結構體中的偏移量，程式設計時可以用於驗證上面的說法。其實現類似如下:

#define offsetof(type, member) (size_t)&(((type *)0)->member)

原理是，強制將結構體(型別為type)的起始位址置為0，然後輸出其成員的位址，該位址的大小就是成員在結構體中的偏移量。

規則之外的例子

c99中定義了柔性陣列機制，因此對於乙個結構體，如果最後乙個成員是陣列的話，結構體大小與該成員是否是柔性陣列有密切關係。

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struct sds;

當結構體定義中，最後乙個成員是陣列且陣列大小為0或沒標記時，該成員陣列是柔性陣列，不計入結構體大小，因此sizeof(sds) = 8

而下面的結構體sd的sizeof(sd) = 12，因為最後乙個陣列成員是普通陣列，適用於上述補齊規則。

123

struct sds;

我們知道，c++為了相容c，保留了struct關鍵字，但是實際上c++中的struct是乙個預設訪問控制許可權為public的class。c++標準規定:乙個空類的大小為1個位元組，因此在c++中，sizeof(空類或空結構體) = 1，在c語言中，sizeof(空結構體) = 0。

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