C/C++语言中的结构体对齐

(1)什么是字节对齐

  一个变量占用 n 个字节,则该变量的起始地址必须能够被 n 整除,即: 存放起始地址 % n = 0, 对于结构体而言,这个 n 取其成员种的数据类型占空间的值最大的那个。

  (2)为什么要字节对齐

  内存空间是按照字节来划分的,从理论上说对内存空间的访问可以从任何地址开始,但是在实际上不同架构的CPU为了提高访问内存的速度,就规定了对于某些类型的数据只能从特定的起始位置开始访问。这样就决定了各种数据类型只能按照相应的规则在内存空间中存放,而不能一个接一个的顺序排列。

  举个例子,比如有些平台访问内存地址都从偶数地址开始,对于一个int型(假设32位系统),如果从偶数地址开始的地方存放,这样一个读周期就可以读出这个int数据,但是如果从奇数地址开始的地址存放,就需要两个读周期,并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到这个int数据,这样明显降低了读取的效率。

  (3)如何进行字节对齐

  每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(不指定则取默认值)中较小的一个对齐,并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节。

  这个规则有点苦涩,可以把这个规则分解一下,前半句的意思先获得对齐值后与指定对齐值进行比较,其中对齐值获得方式如下:

  1. 数据类型的自身对齐值为:对于char型数据,其自身对齐值为1,对于short型为2,对于int, long, float类型,其自身对齐值为4,对于 double 类型其自身对齐值为8, string类型(C没有)其自身对齐值是1,单位为字节。

  2.结构体自身对齐值:其成员中自身对齐值最大的那个值。

  其中指定对齐值获得方式如下:

  #pragma pack (value)时的指定对齐值value。

  未指定则取默认值。

  后半句的意思是主要是针对于结构体的长度而言,因为针对数据类型的成员,它仅有一个对齐参数,其本身的长度、于这个对齐参数,即1倍。对于结构体而言,它可能使用了多种数据类型,那么这句话翻译成对齐规则: 每个成员的起始地址 % 自身对齐值 = 0,如果不等于 0 则先补空字节直至这个表达式成立。

  换句话说,对于结构体而言,结构体在在内存的存放顺序用如下规则即可映射出来:

(一)        每个成员的起始地址 % 每个成员的自身对齐值(自身所占的字节数) = 0,如果不等于 0 则先补空字节直至这个表达式成立;

             对于string类型,自身对齐值是1,不是它的字节数。(我调试运行时发现是这样算的)

(二)        结构体的长度必须为结构体的自身对齐值的整数倍,不够就补空字节。

  举个例子:

#pragmapack(8)
structA{
  char a;  //ox0000
  long b;  //ox0004
};//8

 对于 struct A 来说,对于char型数据,其自身对齐值为1,对于long类型,其自身对齐值为4, 结构体的自身对齐值取其成员最大的对齐值,即大小4。那么struct A 在内存中的顺序步骤为:

  (1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0,这个成员字节对齐了。

  (2) long b, 地址起始位置不能从0x00001开始,因为 0x0001 % 4 != 0, 所以先补空字节,直到0x00003结束,即补3个字节的空字节,从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x0007.

  (3)此时成员都存放结束,结构体长度为8,为结构体自身对齐值的2倍,符合条件(二).


structB

{
  char a;  //ox0000
  struct A b; //0x0004
  long c;   //ox00012
};//16

  对于struct B,里面有个类型为struct A的成员b自身对齐值为4(对于结构体而言,这个 n 取其成员种的数据类型占空间的值最大的那个),对于long类型,其自身对齐值为4. 故struct B的自身对齐值为4。那么structB 在内存中的顺序步骤为:

  (1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0,这个成员字节对齐了。

  (2) struct A b, 地址起始位置不能从0x00001开始,因为 0x0001 % 4 != 0, 所以先补空字节,直到0x00003结束,即补3个字节的空字节,从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x00011(因为它总占8字节).

  (3) long c,地址起始位置从0x000012开始, 因为 0x0012 % 4 = 0,其地址范围为0x00012~0x0015.

  (4)此时成员都存放结束,结构体长度为16,为结构体自身对齐值的4倍,符合条件(二).

  此时满足条件(一)和条件(二),struct B 中各成员在内存中的位置为:a*** b c ,sizeof(struct C) = 24。(每个星号代表一位,成员各自代表自己所占的位,比如a占一位,b占八位,c占四位)


structC{
  char a;//0X0000
  struct A b;//0X0004
  double c;//OX00010(16)
};//24

  对于struct C,里面有个类型为struct A的成员b自身对齐值为4,对于double 类型,其自身对齐值为8. 故struct C的自身对齐值为8。那么struct C 在内存中的顺序步骤为:

  (1) char a, 地址范围为0x0000~0x0000,起始地址为0x0000,满足 0x0000 % 1 = 0,这个成员字节对齐了。

  (2) struct A b, 地址起始位置不能从0x00001开始,因为 0x0001 % 4 != 0, 所以先补空字节,直到0x00003结束,即补3个字节的空字节,从0x00004开始存放b,其地址范围为0x00004~0x00011.

  (3) double c,地址起始位置不能从0x000012开始, 因为 0x0012 % 8 != 0,所以先补空字节,直到0x000015结束,即补4个字节的空字节,从0x00016开始存放c,其地址范围为0x00016~0x0023.

  (4)此时成员都存放结束,结构体长度为24,为结构体自身对齐值的3倍,符合条件(二).

 

 此时满足条件(一)和条件(二),struct C 中各成员在内存中的位置为:a*** b **** c ,sizeof(struct C) = 24。(每个星号代表一位,成员各自代表自己所占的位,比如a占一位,b占八位,c占八位)
structD{
  char a;//OX0000
  struct A b;//OX0004
  double c;//OX00016
  int d;//OX00018(24)
};//32  28不是8的整数倍,补4个字节

  对于struct D,自身对齐值为8。前面三个成员与 struct C 是一致的。对于第四成员d,因为 0x0024 % 4 = 0, 所以可以从0x0024开始存放d, 其地址范围为0x00024~0x00027.此时成员都存放结束,结构体长度为28,28 不是结构体自身对齐值8的倍数,所以要在后面补四个空格,即在0x0028~0x0031上补四个空格。补完了,结构体长度为32, 为结构体自身对齐值的4被,,符合条件(二).

  此时满足条件(一)和条件(二),struct D 中各成员在内存中的位置为:a*** b **** c d **** ,sizeof(struct D) = 32。(每个星号代表一位,成员各自代表自己所占的位,比如a占一位,b占八位,c占八位, d占四位)。


structE{
  char a; //0x0000
  int b; // 0x0004
  struct A c;//ox0008
  double d;//0x00016  
};//24

  对于struct E 中各成员在内存中的位置为:a*** b c d, sizeof(struct E) = 24。(每个星号代表一位,成员各自代表自己所占的位,比如a占一位,b占四位,c占八位, d占八位)。

  通过struct D 和 struct E 可以看出,在成员数量和类型一致的情况,后者的所占空间少于前者,因为后者的填充空字节要少。如果我们在编程时考虑节约空间的话,应该遵循将变量按照类型大小从小到大声明的原则, 这样尽量减少填补空间。另外,可以在填充空字节的地方来插入reserved成员, 例如

struct A
{
  char a;
  char reserved[3];
  int b;
};

  这样做的目的主要是为了对程序员起一个提示作用,如果不加则编译器会自动补齐。

 

posted @ 2013-04-11 09:18  方子格  阅读(262)  评论(0编辑  收藏  举报