结构体对齐详解

1 -- 结构体数据成员对齐的意义

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的起始地址的值是某个数k的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。
比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。

2 -- 结构体对齐包括两个方面的含义

1)结构体总长度；
2)结构体内各数据成员的内存对齐，即该数据成员相对结构体的起始位置；

3 -- 结构体大小的计算方法和步骤

1)将结构体内所有数据成员的长度值相加，记为sum_a；
2)将各数据成员为了内存对齐，按各自对齐模数而填充的字节数累加到和sum_a上，记为sum_b。对齐模数是#pragma pack指定的数值以及该数据成员自身长度中数值较小者。该数据相对起始位置应该是对齐模式的整数倍;
3)将和sum_b向结构体模数对齐，该模数是【#pragma pack指定的数值】、【未指定#pragma pack时，系统默认的对齐模数（32位系统为4字节，64位为8字节）】和【结构体内部最大的基本数据类型成员】长度中数值较小者。结构体的长度应该是该模数的整数倍。

4 -- 结构体大小计算举例

在计算之前，我们首先需要明确的是各个数据成员的对齐模数，对齐模数和数据成员本身的长度以及pragma pack编译参数有关，其值是二者中最小数。如果程序没有明确指出，就需要知道编译器默认的对齐模数值。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基本数据类型的长度和默认对齐模数。

		char	short	int	long	float	double	long long	long double
Win-32	长度	1	2	4	4	4	8	8	8
	模数	1	2	4	4	4	8	8	8
Linux-32	长度	1	2	4	4	4	8	8	12
	模数	1	2	4	4	4	4	4	4
Linux-64	长度	1	2	4	8	4	8	8	16
	模数	1	2	4	8	4	8	8	16

例子1：

struct my_struct 
{ 
    char a; 
    long double b; 
};

此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。
在Windows中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的4倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-1所示。

在Linux中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为12后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的4倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-2所示。



例子2：

#pragma pack(2) 
struct my_struct 
{ 
    char a; 
    long double b; 
}; 
#pragma pack()

例子1和例子2不同之处在于例子2中使用了#pragma pack(2)编译参数，它强制指定对齐模数是2。此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。

在Windows中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个字节，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。sum_b是2的5倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是10B，各数据成员在内存中的分布如图2-1所示。

在Linux中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个字节，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。sum_b是2的7倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是14B，各数据成员在内存中的分布如图2-2所示。



例子3：

struct my_struct 
{ 
    char a; 
    double b; 
    char c; 
}; 

前两例中，数据成员在Linux和Windows下都相同，例3中double的对齐模数在Linux中是4，在Windows下是8，针对这种模数不相同的情况加以分析。
在Windows中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为8，所以结构体对齐模数是8。sum_b应该是8的整数倍，所以要在结构体后填充8*3 - 17 = 7个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图3-1所示。

在Linux中计算步骤如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_b = sum_a + 3 = 13B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma
pack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b应该是4的整数倍，所以要在结构体后填充4*4 - 13 = 3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图3-2所示。



例子4：

struct my_struct 
{ 
    char a[11]; 
    int b; 
    char c; 
}; 

此例子Windows和Linux计算方法一样，如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B
步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_a + 1 = 17B --> sum_b = 17B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为4后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充4*5 - 17 = 1个字节。
综上3步，可知结构体的长度是20B，各数据成员在内存中的分布如图4所示。



例子5：

struct my_test 
{ 
    int my_test_a; 
    char my_test_b; 
}; 
struct my_struct 
{ 
    struct my_test a; 
    double my_struct_a; 
    int my_struct_b; 
    char my_struct_c; 
}; 

例子5和前几个例子均不同，在此例子中我们要计算struct my_struct的大小，而my_struct中嵌套了一个my_test结构体。这种结构体应该如何计算呢？原则是将my_test在my_struct中先展开，然后再计算，即是展开成如下结构体：

struct my_struct
{
    int my_test_a;
    char my_test_b;
    double my_struct_a;
    int my_struct_b;
    char my_struct_c;
}; 

此例子Windows中的计算方法如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B
步骤2：数据成员my_struct_a为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充3个字节：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为8，所以结构体对齐模数是8。sum_b是8的整数倍，需在结构体后填充3*8 - 21 = 3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图5所示。

此例子Linux中的计算方法如下：
步骤1：所有数据成员自身长度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B，sum_a = 18B
步骤2：数据成员my_struct_a为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_b = sum_a + 3 = 21B
步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma
pack中较小者，前者为4后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充6*4 - 21 = 3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图5所示。

5 -- 源代码附录

上面的例子均在Windows(VC++6.0)和Linux(GCC4.1.0)上测试验证。下面是测试程序。

#include <iostream>

#include <stdio.h>

using namespace std;

int main()
{
    cout << "sizeof(char)        = " << sizeof(char) << endl;
    cout << "sizeof(short)       = " << sizeof(short) << endl;
    cout << "sizeof(int)         = " << sizeof(int) << endl;
    cout << "sizeof(long)        = " << sizeof(long) << endl;
    cout << "sizeof(float)       = " << sizeof(float) << endl;
    cout << "sizeof(double)      = " << sizeof(double) << endl;
    cout << "sizeof(long long)   = " << sizeof(long long) << endl;
    cout << "sizeof(long double) = " << sizeof(long double) << endl << endl;    

    // 例子1
    {
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            long double b; 
        };
        cout << "exapmle-1: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
 
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b);
    }

    // 例子2
    {
        #pragma pack(2) 
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            long double b; 
        }; 
        
        #pragma pack()
        struct my_struct data;
 
        cout << "exapmle-2: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b);
    }
    
    // 例子3
    {
        struct my_struct 
        { 
            char a; 
            double b; 
            char c; 
        }; 
 
        struct my_struct data;
 
        cout << "exapmle-3: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl;
  
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data.a, &data.b, &data.c);
    }

    // 例子4
    {
        struct my_struct 
        {  
            char a[11];  
            int b;  
            char c;  
        };
  
        cout << "example-4: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
        printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data, &data.b, &data.c);
    }

    // 例子5 
    {
        struct my_test 
        { 
            int my_test_a; 
            char my_test_b; 
        }; 
        
        struct my_struct 
        { 
            struct my_test a; 
            double my_struct_a; 
            int my_struct_b; 
            char my_struct_c; 
        }; 
        cout << "example-5: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl;
  
        struct my_struct data;
        printf("my_struct->my_test_a  : %u\n"
            "my_struct->my_test_b  : %u\n"
            "my_struct->my_struct_a: %u\n"
            "my_struct->my_struct_b: %u\n"
            "my_struct->my_struct_c: %u\n", &data.a.my_test_a, &data.a.my_test_b, 
            &data.my_struct_a, &data.my_struct_b, &data.my_struct_c);
    }

    return 0;
}

执行结果：

//Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 28 19:20:26 UTC 2012 (641c197) x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 8
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 16

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 32
my_struct->a: 2163695552
my_struct->b: 2163695568

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 18
my_struct->a: 2163695680
my_struct->b: 2163695682

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->a: 2163695648
my_struct->b: 2163695656
my_struct->c: 2163695664

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 2163695616
my_struct->b: 2163695628
my_struct->c: 2163695632

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 2163695584
my_struct->my_test_b  : 2163695588
my_struct->my_struct_a: 2163695592
my_struct->my_struct_b: 2163695600
my_struct->my_struct_c: 2163695604

//Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 26 09:36:26 UTC 2012 (641c197) i686 i686 i386 GNU/Linux
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 4
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 12

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 3213889904
my_struct->b: 3213889908

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14
my_struct->a: 3213889890
my_struct->b: 3213889892

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 3213889872
my_struct->b: 3213889876
my_struct->c: 3213889884

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 3213889852
my_struct->b: 3213889864
my_struct->c: 3213889868

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 3213889828
my_struct->my_test_b  : 3213889832
my_struct->my_struct_a: 3213889836
my_struct->my_struct_b: 3213889844
my_struct->my_struct_c: 3213889848

//CYGWIN_NT-6.1 motadou-PC 1.7.20(0.266/5/3) 2013-06-07 11:11 i686 Cygwin
sizeof(char)        = 1
sizeof(short)       = 2
sizeof(int)         = 4
sizeof(long)        = 4
sizeof(float)       = 4
sizeof(double)      = 8
sizeof(long long)   = 8
sizeof(long double) = 12

exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16
my_struct->a: 2272336
my_struct->b: 2272340

exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14
my_struct->a: 2272322
my_struct->b: 2272324

exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->a: 2272296
my_struct->b: 2272304
my_struct->c: 2272312

example-4: sizeof(my_struct) = 20
my_struct->a: 2272276
my_struct->b: 2272288
my_struct->c: 2272292

example-5: sizeof(my_struct) = 24
my_struct->my_test_a  : 2272248
my_struct->my_test_b  : 2272252
my_struct->my_struct_a: 2272256
my_struct->my_struct_b: 2272264
my_struct->my_struct_c: 2272268