结构体成员内存对齐规则

2023-10-27

关于结构体成员内存对齐,主要有以下三方面原则:


原则1:结构体中元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的,但并不是
紧密排列的。从结构体存储的首地址开始,每一个元素放置到内存中时,它都
会认为内存是以它自己的大小来划分的,因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始(以结构体变量首地址为0计算)。

原则2:结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。(struct a里存有struct b,b里有char,int,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储。)

原则3:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,必须是其内部最大成员的整数倍,不足的要补齐。

我们看下面几个例子,通过实例来加深理解。

 例1:struct {
             short a1;
             short a2;
             short a3;
             }A;


     struct{
             long a1;
             short a2;
             }B;

sizeof(A) = 6; 这个很好理解,三个short都为2。

sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节?long为4,short为2,整个为8,因为原则3。

 例2:struct A{
              int a;
              char b;
              short c;
              };


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

sizeof(A) = 8; int为4,char为1,short为2,这里用到了原则1和原则3。

sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围?char为1,int为4,short为2,怎么会是12?还是原则1和原则3。

深究一下,为什么是这样,我们可以看看内存里的布局情况。

 A的内存布局:a :1111,  b :1*,    c: 11

 B的内存布局:b :1***,  a :1111,  c:     1**

其中星号*表示填充的字节。A中,b后面为何要补充一个字节?因为c为short,其起始位置要为2的倍数,就是原则1。c的后面没有补充,因为b和c正好占用4个字节,整个A占用空间为4的倍数,也就是最大成员int类型的倍数,所以不用补充。

B中,b是char为1,b后面补充了3个字节,因为a是int为4,根据原则1,起始位置要为4的倍数,所以b后面要补充3个字节。c后面补充两个字节,根据原则3,整个B占用空间要为4的倍数,c后面不补充,整个B的空间为10,不符,所以要补充2个字节。

再看一个结构中含有结构成员的例子:

   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; 这个比较好理解,int为4,double为8,float为4,总长为8的倍数,补齐,所以整个A为24。

sizeof(B) = 48;
i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数,所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚,有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

引申:前面所介绍的都是元素为基本数据类型的结构体,那么含有指针,数
组或是其它结构体变量或联合体变量时该如何呢?

包含指针类型的情况。只要记住指针本身所占的存储空间是4个字节就行了,而不必看它是指向什么类型的指针。

以上讲的都是没有#pragma pack宏的情况,如果有#pragma pack宏,对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragma pack(1),内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;


有了#pragma pack(1),内存不会再遵循原则1和原则3了,按1字节对齐。没错,这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

               a        b         c          
   A的内存布局:1111,  11111111,   1111

               e    f       g      h             i
   B的内存布局:11, 1111, 11111111, 11 , 1111, 11111111, 1111

还有一种常见的情况,结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,允许其它类型类型的存在。


使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;
3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式,Dev-C++采取压缩方式;
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

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

               a        b             c
   A的内存布局:111,    1111 *,   11111 * * *

位域类型为char,第1个字节仅能容纳下f1和f2,所以f2被压缩到第1个字节中,而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

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

由于相邻位域类型不同,在VC6中其sizeof为6,在Dev-C++中为2。

   例6:struct C{
                 char f1 : 3;
                 char f2;
                 char f3 : 5;
               };

非位域字段穿插在其中,不会产生压缩,在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

结论:在设计结构体的时候,一般会尊照一个习惯,就是把占用空间小的类型排在前面,占用空间大的类型排在后面,这样可以相对节约一些对齐空间。

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