C/C++結構體對齊詳解

編程語言 C語言 Linux Windows Windows XP cpp軟件架構獅 2018-12-06

1 -- 結構體數據成員對齊的意義

許多實際的計算機系統對基本類型數據在內存中存放的位置有限制，它們會要求這些數據的起始地址的值是某個數k的倍數，這就是所謂的內存對齊，而這個k則被稱為該數據類型的對齊模數(alignment modulus)。這種強制的要求一來簡化了處理器與內存之間傳輸系統的設計，二來可以提升讀取數據的速度。

比如這麼一種處理器，它每次讀寫內存的時候都從某個8倍數的地址開始，一次讀出或寫入8個字節的數據，假如軟件能保證double類型的數據都從8倍數地址開始，那麼讀或寫一個double類型數據就只需要一次內存操作。否則，我們就可能需要兩次內存操作才能完成這個動作，因為數據或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8字節內存塊上。

2 -- 結構體對齊包括兩個方面的含義

1)結構體總長度；

2)結構體內各數據成員的內存對齊，即該數據成員相對結構體的起始位置；

3 -- 結構體大小的計算方法和步驟

1)將結構體內所有數據成員的長度值相加，記為sum_a；

2)將各數據成員為了內存對齊，按各自對齊模數而填充的字節數累加到和sum_a上，記為sum_b。對齊模數是#pragma pack指定的數值以及該數據成員自身長度中數值較小者。該數據相對起始位置應該是對齊模式的整數倍;

3)將和sum_b向結構體模數對齊，該模數是【#pragma pack指定的數值】、【未指定#pragma pack時，系統默認的對齊模數（32位系統為4字節，64位為8字節）】和【結構體內部最大的基本數據類型成員】長度中數值較小者。結構體的長度應該是該模數的整數倍。

4 -- 結構體大小計算舉例

在計算之前，我們首先需要明確的是各個數據成員的對齊模數，對齊模數和數據成員本身的長度以及pragma pack編譯參數有關，其值是二者中最小數。如果程序沒有明確指出，就需要知道編譯器默認的對齊模數值。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基本數據類型的長度和默認對齊模數。

例子1：

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

此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充7個字節，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。

綜上3步，可知結構體的長度是16B，各數據成員在內存中的分佈如圖1-1所示。

在Linux中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個字節，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為12後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。

綜上3步，可知結構體的長度是16B，各數據成員在內存中的分佈如圖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不同之處在於例子2中使用了#pragma pack(2)編譯參數，它強制指定對齊模數是2。此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是2，之前需填充1個字節，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為2，所以結構體對齊模數是2。sum_b是2的5倍，不需再次對齊。

綜上3步，可知結構體的長度是10B，各數據成員在內存中的分佈如圖2-1所示。

在Linux中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是2，之前需填充1個字節，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為2，所以結構體對齊模數是2。sum_b是2的7倍，不需再次對齊。

綜上3步，可知結構體的長度是14B，各數據成員在內存中的分佈如圖2-2所示。

例子3：

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

前兩例中，數據成員在Linux和Windows下都相同，例3中double的對齊模數在Linux中是4，在Windows下是8，針對這種模數不相同的情況加以分析。

在Windows中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充7個字節，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為8，所以結構體對齊模數是8。sum_b應該是8的整數倍，所以要在結構體後填充8*3 - 17 = 7個字節。

綜上3步，可知結構體的長度是24B，各數據成員在內存中的分佈如圖3-1所示。

在Linux中計算步驟如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個字節，sum_b = sum_a + 3 = 13B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma

pack中較小者，前者為8後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b應該是4的整數倍，所以要在結構體後填充4*4 - 13 = 3個字節。

綜上3步，可知結構體的長度是16B，各數據成員在內存中的分佈如圖3-2所示。

例子4：

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

此例子Windows和Linux計算方法一樣，如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B

步驟2：數據成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節；數據成員b為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個字節，sum_a + 1 = 17B --> sum_b = 17B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為4後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的整數倍，需在結構體後填充4*5 - 17 = 1個字節。

綜上3步，可知結構體的長度是20B，各數據成員在內存中的分佈如圖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和前幾個例子均不同，在此例子中我們要計算struct my_struct的大小，而my_struct中嵌套了一個my_test結構體。這種結構體應該如何計算呢？原則是將my_test在my_struct中先展開，然後再計算，即是展開成如下結構體：

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中的計算方法如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B

步驟2：數據成員my_struct_a為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充3個字節：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為8，所以結構體對齊模數是8。sum_b是8的整數倍，需在結構體後填充3*8 - 21 = 3個字節。

綜上3步，可知結構體的長度是24B，各數據成員在內存中的分佈如圖5所示。

此例子Linux中的計算方法如下：

步驟1：所有數據成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B，sum_a = 18B

步驟2：數據成員my_struct_a為了內存對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個字節，sum_b = sum_a + 3 = 21B

步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大數據成員長度和pragma

pack中較小者，前者為4後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的整數倍，需在結構體後填充6*4 - 21 = 3個字節。

綜上3步，可知結構體的長度是24B，各數據成員在內存中的分佈如圖5所示。

來源：https://www.cnblogs.com/motadou/archive/2009/01/17/1558438.html

C/C++結構體對齊詳解

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