C - 结构体字节对齐问题

C - 结构体字节对齐问题

 

        关于C语言中的结构体字节对齐问题，在《C与指针》一书中提到，但是似乎没有说清楚，还是我理解不完全？所以，根据书上和网上资料，总结一些关于C语言中的结构体字节对齐的知识。这里的讨论和代码，都在VS2010下，GCC不太熟悉就不说了;-(

 

（1）什么是字节对齐^[1]

对齐规则：

        结构体中一个变量占用 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 取其成员中的数据类型占空间的值最大的那个。(这里n可以称为对齐值)

        补充：结构体的长度必须为结构体的实际对齐值（自身对齐值和编译器默认对齐值中最小的一个）的整数倍，不够就补空字节。

 

（2）为什么要字节对齐^[1]

        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^[1,2]

        参考[2]，每个数据类型的变量（或称数据对象data object）都有一个对齐值（alignment-requirement），即sizeof(data type)。例如char类型变量的对齐值是1，int、long、float的对齐值是4，long long、double的对齐值则是8，单位都是字节。而结构体的对齐值则是成员变量中占用空间最大的那个变量的大小。

        根据上述结论，“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”，那么char类型变量的地址必须被1整除，int、long、float的地址必须被4整除，而long long、double必须被8整除。

        由于结构体里成员变量的地址是按照顺序存储的，因此不能保证每个成员变量满足上述规则，所以有些成员变量的地址之前或之后需要填充一些字节。

        至于要填充多少字节，跟每个变量实际的对齐值有关。确定实际的对齐值，有2条规则：

1、每个编译器有默认的对齐值，VS2010中默认是8，可以在代码中加入#pragma pack(n)指令，告诉编译器默认对齐值的大小，这里的n必须是1,2,4,8,16之一。（命令行编译中可以使用/Zp[n]选项）

2、实际的对齐值，取编译器默认的对齐值（即n的值）和数据对象的自身对齐值（即sizeof(data type)）中最小的一个，即

min( n,sizeof( item ) )。

        记住这2条规则，下面的示例代码，不用运行，就可以手动计算出结果了。

示例代码：

#include <stdio.h>
// #pragma pack(8)

struct A { 
	char a;
	long b;
};

struct B {
	char a;
	struct A b;
	long c;
};

struct C {
	char a;
	struct A b;
	double c; // Change “long” to “double” in struct B
}; 

struct D {
	char a;
	struct A b;
	double c;
	int d; // Add “int” in struct C
};

struct E {
	char a;
	int b;
	struct A c;
	double d;
};

// Error: C语言中不允许空的结构体，而C++中则允许，将.c后缀换成.cpp试试？
struct F {

};

void main(void)
{
	printf("A's size: %d\n", sizeof(struct A));
	printf("B's size: %d\n", sizeof(struct B));
	printf("C's size: %d\n", sizeof(struct C));
	printf("D's size: %d\n", sizeof(struct D));
	printf("E's size: %d\n", sizeof(struct E));
	printf("F's size: %d\n", sizeof(struct F));
}

分析如下：

        I. struct A，假设a的地址从0开始，则a占1个字节，顺序下来，b地址则是1，不满足对齐规则，在b的地址之前填充3个字节（取最小的对齐值4），b的地址现在是4（1+3），接着b占4个字节。所以A的大小是8个字节（1+3+4）。

等价代码，如下

struct A { 
	char a;
	char padding[3]; // 填充3个字节
	long b;
};

        II. struct B，假设a的地址从0开始，则a占1个字节，顺序下来，结构体b地址则是1，由于结构体b自身对齐值是4（取成员变量中最大的sizeof(item)），不满足对齐规则，所以在其地址之前填充3个字节（取对齐值4），b的地址是4（1+3），接着结构体b占8个字节（由I可知b的大小），顺序下来，c的地址是12（1+3+8），满足c的对齐规则，不用填充，接着就是c占用的4个字节。所以B的大小是16个字节（1+3+8+4）。

等价代码，如下

struct B {
	char a;
	char padding[3]; // 填充3个字节
	struct A b;
	long c;
};

        III. struct C，由II可知，a和b变量已经占了12个字节，顺序下来，c的地址是12，不满足对齐规则（地址12不能整除double的8个字节），在c地址之前填充4个字节，这时c的地址是16（1+3+8+4），满足对齐规则，下面就是c占用的8个字节。所以C的大小是24个字节（1+3+8+4+8）

等价代码，如下

struct C {
	char a;
	char padding1[3]; // 填充3个字节
	struct A b;
	char padding2[4]; // 填充4个字节
	double c;
};

        IV. struct D，由III可知，a、b和c变量已经占了24个字节，顺序下来，d的地址是24（1+3+8+4+8），似乎满足对齐规则，于是接着d占用的4个字节，这时D的大小是28（1+3+8+4+8+4）。但是不满足上面提到的“结构体的长度必须为结构体的实际对齐值（自身对齐值和编译器默认对齐值中最小的一个）的整数倍，不够就补空字节。”（28不能被对齐值8整除），所以d占用4个字节后，后面还要填充4个字节。所以D的大小是32个字节。（1+3+8+4+8+4+4）

等价代码，如下

struct D {
	char a;
	char padding1[3]; // 填充3个字节
	struct A b;
	char padding2[4]; // 填充4个字节
	double c;
	int d;
	char padding3[4]; // 填充4个字节
};

        V. struct E，假设a的地址从0开始，则a占1个字节，顺序下来，b地址则是1，不满足对齐规则，在b的地址之前填充3个字节（取最小的对齐值4），b的地址现在是4（1+3），接着b占4个字节。顺序下来，c的地址是8（1+3+4），c的对齐值是8，满足对齐规则，接着c占用的8个字节。顺序下来，d的地址是16（1+3+4+8）,d的对齐值是8，满足对齐规则，接着d占用的8个字节。所以D的大小是24个字节。（1+3+4+8+8）

等价代码，如下

struct E {
	char a;
	char padding[3]; // 填充3个字节
	int b;
	struct A c;
	double d;
};

        VI. struct F，是空结构体，在C语言中不允许。在C++则允许，而且空结构体（或空类）的大小是1。

 

在头文件下面，加入#pragma pack(n)指令，即指定编译器的默认的对齐值。作为一个小练习，下面的表格中都应该填多少？

#pragma pack(n)	sizeof(struct A)	sizeof(struct B)	sizeof(struct C)	sizeof(struct D)	sizeof(struct E)
1
2
4
8	8	16	24	32	24
16

答案是

#pragma pack(n)	sizeof(struct A)	sizeof(struct B)	sizeof(struct C)	sizeof(struct D)	sizeof(struct E)
1	5	10	14	18	18
2	6	12	16	20	20
4	8	16	20	24	24
8	8	16	24	32	24
16	8	16	24	32	24

 

参考资料：

1、http://blog.youkuaiyun.com/bytxl/article/details/7523487

2、 http://msdn.microsoft.com/en-us/library/1d48zaa8(v=vs.80).aspx