C++中结构体的大小与内存对齐

结构体中的成员可以是不同的数据类型,成员按照定义时的顺序依次存储在连续的内存空间。和数组不一样的是,结构体的大小不是所有成员大小简单的相加,需要考虑到系统在存储结构体变量时的地址对齐问题。看下面这样的一个结构体:

  struct stu1

  {

  int i;

  char c;

  int j;

  };

  先介绍一个相关的概念——偏移量。偏移量指的是结构体变量中成员的地址和结构体变量地址的差。结构体大小等于最后一个成员的偏移量加上最后一个成员的大小。显然,结构体变量中第一个成员的地址就是结构体变量的首地址。因此,第一个成员i的偏移量为0。第二个成员c的偏移量是第一个成员的偏移量加上第一个成员的大小(0+4),其值为4;第三个成员j的偏移量是第二个成员的偏移量加上第二个成员的大小(4+1),其值为5。

  实际上,由于存储变量时地址对齐的要求,编译器在编译程序时会遵循两条原则:一、结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍(0被认为是任何数的整数倍) 二、结构体大小必须是所有成员大小的整数倍。

  对照第一条,上面的例子中前两个成员的偏移量都满足要求,但第三个成员的偏移量为5,并不是自身(int)大小的整数倍。编译器在处理时会在第二个成员后面补上3个空字节,使得第三个成员的偏移量变成8。

  对照第二条,结构体大小等于最后一个成员的偏移量加上其大小,上面的例子中计算出来的大小为12,满足要求。

  再看一个满足第一条,不满足第二条的情况

  struct stu2

  {

  int k;

  short t;

  };

  成员k的偏移量为0;成员t的偏移量为4,都不需要调整。但计算出来的大小为6,显然不是成员k大小的整数倍。因此,编译器会在成员t后面补上2个字节,使得结构体的大小变成8从而满足第二个要求。由此可见,大家在定义结构体类型时需要考虑到字节对齐的情况,不同的顺序会影响到结构体的大小。对比下面两种定义顺序

  struct stu3

  {

  char c1;//偏移量为0符合要求

  int i;//偏移量为1, 结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍(0被认为是任何数的整数倍),故偏移量应为4

  char c2;//偏移量为8(偏移量4+int大2小4),符合要求

  }

    算出sizeof( stu3 )=1+8=9,但9不是int的整数倍故最终大小为12

  struct stu4

  {

  char c1; //偏移量为0符合要求

  char c2;// //偏移量为1符合要求

  int i; //偏移量为2不符合要求故偏移量为4

  }

算出sizeof( stu4 )=4+4=8,8是int的整数倍故最终大小为8

 

如果结构体中的成员又是另外一种结构体类型时应该怎么计算呢?只需把其展开即可。但有一点需要注意,展开后的结构体的第一个成员的偏移量应当是被展开的结构体中最大的成员的整数倍。看下面的例子:

  struct stu5

  {

  short i;

  struct

  {

  char c;

  int j;

  } ss;

  int k;

  }

  结构体stu5的成员ss.c的偏移量应该是4,而不是 2。整个结构体大小应该是16。

 

 

 

下面做一些补充:

 

一.什么是字节对齐,为什么要对齐?

    现代计算机中内存空间都是按照byte划分的,从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始,但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特 定的内存地址访问,这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序的一个接一个的排放,这就是对齐。
    对齐的作用和原因:各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问 一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况,但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对 数据存放进行对齐,会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始,如果一个int型(假设为32位系统)如果存放在偶地址开始的地方,那 么一个读周期就可以读出这32bit,而如果存放在奇地址开始的地方,就需要2个读周期,并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数 据。显然在读取效率上下降很多。

 

 

二.编译器是按照什么样的原则进行对齐的?

    先让我们看四个重要的基本概念:
1.数据类型自身的对齐值:
  对于char型数据,其自身对齐值为1,对于short型为2,对于int,float,double类型,其自身对齐值为4,单位字节。
2.结构体或者类的自身对齐值:其成员中自身对齐值最大的那个值。
3.指定对齐值:#pragma pack (value)时的指定对齐值value。
4.数据成员、结构体和类的有效对齐值:自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。
有 了这些值,我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值,最重要。有效对齐N,就是 表示“对齐在N上”,也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数 据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放,结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数 倍,结合下面例子理解)。这样就不能理解上面的几个例子的值了。
例子分析:
分析例子B;
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
假 设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值,在笔者环境下,该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1,比指定或者默认指定 对齐值4小,所以其有效对齐值为1,所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a,其自身对齐值为4,所以有效对齐值也为4, 所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中,复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为 2,所以有效对齐值也是2,可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中,符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的 都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b)所以就是4,所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求, 0x0009到0x0000=10字节,(10+2)%4=0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了, 因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那 么第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果我们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么下一 个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能满足结构的地址对齐了,因此我们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.其实诸如:对于char型数据,其 自身对齐值为1,对于short型为2,对于int,float类型,其自身对齐值为4,,double自身对齐值为8,这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只 是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了.
同理,分析上面例子C:
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐,恢复缺省对齐*/
第 一个变量b的自身对齐值为1,指定对齐值为2,所以,其有效对齐值为1,假设C从0x0000开始,那么b存放在0x0000,符合0x0000%1= 0;第二个变量,自身对齐值为4,指定对齐值为2,所以有效对齐值为2,所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续 字节中,符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2,所以有效对齐值为2,顺序存放
在0x0006、0x0007中,符合 0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4,所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

三.如何修改编译器的默认对齐值?

1.在VC IDE中,可以这样修改:[Project]|[Settings],c/c++选项卡Category的Code Generation选项的Struct Member Alignment中修改,默认是8字节。
2.在编码时,可以这样动态修改:#pragma pack .

 

posted @ 2013-04-09 09:48  E_star  阅读(5434)  评论(1编辑  收藏  举报