C語言結構體對齊

解析c語言結構體對齊(記憶體對齊問題)

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等元素，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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