C語言-結構體內存對齊

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。寫出一個struct，然后sizeof，你會不會經常對結果感到奇怪？sizeof的結果往往都比你聲明的變量總長度要大，這是怎么回事呢？

　　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，具體在哪里看到現在已記不起來，這里引用一下前人的經驗（在沒有#pragma pack宏的情況下）：

　　原則1、數據成員對齊規則：結構（struct或聯合union）的數據成員，第一個數據成員放在offset為0的地方，以后每個數據成員存儲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字節，則要從4的整數倍地址開始存儲）。

　　原則2、結構體作為成員：如果一個結構里有某些結構體成員，則結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍地址開始存儲。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b應該從8的整數倍開始存儲。）

　　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，通過實例來加深理解。

????例1：

struct {short a1;short a2;short a3;
} A;struct{long a1;short a2;
} B;

????????? 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個字節？long為4，short為2，整個為8，因為原則3。

????例2：

struct A{int a;char b;short c;
};struct B{char b;int a;short c;
};

???????sizeof(A) = 8; int為4，char為1，short為2，這里用到了原則1和原則3。

?????? sizeof(B) = 12; 是否超出預想范圍？char為1，int為4，short為2，怎么會是12？還是原則1和原則3。

???深究一下，為什么是這樣，我們可以看看內存里的布局情況。

?????????????????a???????? b???????? c
???A的內存布局：1111,???? 1*,?????? 11

?????????????????b????????? a??????? c
???B的內存布局：1***,???? 1111,?? 11**

???其中星號*表示填充的字節。A中，b后面為何要補充一個字節？因為c為short，其起始位置要為2的倍數，就是原則1。c的后面沒有補充，因為b和c正好占用4個字節，整個A占用空間為4的倍數，也就是最大成員int類型的倍數，所以不用補充。

???B中，b是char為1，b后面補充了3個字節，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后面要補充3個字節。c后面補充兩個字節，根據原則3，整個B占用空間要為4的倍數，c后面不補充，整個B的空間為10，不符，所以要補充2個字節。

???再看一個結構中含有結構成員的例子：

?????? 例3：

struct A{int a;double b;float c;
};struct B{char e[2];int f;double g;short h;struct A i;
};

?????? 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的內存布局。

???????????????????????????????? e???????? f???????????? g??????????????? h??????????????????????????????????? i?
????B的內存布局：11* *,?? 1111,?? 11111111, 11 * * * * * *,??????? 1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *

????i其實就是A的內存布局。i的起始位置要為24的倍數，所以h后面要補齊。把B的內存布局弄清楚，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宏的情況，如果有#pragma pack宏，對齊方式按照宏的定義來。比如上面的結構體前加#pragma pack(1)，內存的布局就會完全改變。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;

????有了#pragma pack(1)，內存不會再遵循原則1和原則3了，按1字節對齊。沒錯，這不是理想中的沒有內存對齊的世界嗎。

????????????????????????????????? a??????????????? b???????????? c
?????? A的內存布局：1111,???? 11111111,?? 1111

???????????????????????????????? e??????? f???????????? g????????? h???????????????????? i
?????? B的內存布局：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可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴展，允許其它類型類型的存在。

?????? 使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大致規則為：
?????? 1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則后面的字段將緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納為止；
?????? 2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲單元開始，其偏移量為其類型大小的整數倍；
?????? 3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6采取不壓縮方式，Dev-C++采取壓縮方式；
?????? 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類型成員大小的整數倍。

??????? 還是讓我們來看看例子。

?????? 例4：

struct A{char f1 : 3;char f2 : 4;char f3 : 5;
};

???????????????????? a????????b???????????? c
?????? A的內存布局：111,??? 1111 *,?? 11111 * * *

?????? 位域類型為char，第1個字節僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個字節中，而f3只能從下一個字節開始。因此sizeof(A)的結果為2。

?????? 例5：

struct B{char f1 : 3;short f2 : 4;char f3 : 5;
};

?????? 由于相鄰位域類型不同，在VC6中其sizeof為6，在Dev-C++中為2。

?????? 例6：

struct C{char f1 : 3;char f2;char f3 : 5;
};

?????? 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。

?????? 考慮一個問題，為什么要設計內存對齊的處理方式呢？如果體系結構是不對齊的，成員將會一個挨一個存儲，顯然對齊更浪費了空間。那么為什么要使用對齊呢？體 系結構的對齊和不對齊，是在時間和空間上的一個權衡。對齊節省了時間。假設一個體系結構的字長為w，那么它同時就假設了在這種體系結構上對寬度為w的數據 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位數據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。

?????? 最后順便提一點，在設計結構體的時候，一般會尊照一個習慣，就是把占用空間小的類型排在前面，占用空間大的類型排在后面，這樣可以相對節約一些對齊空間。