struct 成员的对齐方式

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wzb56

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分类专栏： C/C++ 文章标签： c++ struct structure alignment 编译器

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本文探讨了结构体在内存中的对齐规则及其成员的偏移量计算，解释了sizeof运算符的行为和结构体大小与成员大小之间的关系。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

//用一个宏定义FIND求结构体struct s中某个成员变量member相对struct s的偏移量.
//思考：若struct s的地址为0，则其成员member的地址就是其相对于s的偏移量
//扩展: <1>sizeof(struct s) 不一定等于 sizeof(struct s中的每一个成员)的和
// <2>结构体大小不仅由成员的大小决定（sizeof(member)）,而且还要考虑编译器用来优化的对齐。
// 编译器的优化对齐(alignment), 是为了减少访问总线的次数。
//由于数据总线的位数（由机器字长决定），为了减少数据访问的次数。
//这样可以保证机器字长整数倍的基本类型（而非自定义类型）
//能够通过 sizeof(基本类型)/sizeof(size_t)次总线访问完成；
//通过实验, 我得出的对齐规则是：
// char 偏移地址二进制的最后一位：0/1；即1的倍数的地址对齐性；即任意对齐性；
// short 偏移地址二进制的最后一位：0；即2的倍数地址的对齐性；即偶数地址对齐性；
// int 偏移地址二进制的最后两位：00；即4的倍数的地址对齐性；

// float 偏移地址二进制的最后两位：00；即4的倍数的地址对齐性；

// long 偏移地址二进制的最后两位：00；即4的倍数的地址对齐性；

// long long 偏移地址二进制的最后三位：000；即8的倍数的地址对齐性；
// double偏移地址二进制的最后三位：000；即8的倍数的地址对齐性；
//总之，struct中基本类型成员的偏移地址时一定是sizeof(基本类型)的整数倍，
//自定义类型偏移地址的对齐性是任意的.
//推过这种方式，就能解释sizeof(struct s)不等于所有成员的sizeof的和。
// sizeof(struct s) 除了满足以上偏移地址对齐外，
// 是其大小为其基本类型成员的sizeof值最大的成员的sizeof值的整数倍

// 也就是说为最大的基本类型的sizeof值得整数倍。

程序举例：

#include <iostream>

using namespace std;


struct cc {
    char a;
    char c[6];
    char b;
};
struct student {
    int a;
    char b[20];
    char c;
    struct cc cc;
    double d;
};





//用一个宏定义FIND求结构体struct s中某个成员变量member相对struct s的偏移量.
//思考：若struct s的地址为0，则其成员member的地址就是其相对于s的偏移量
//扩展: <1>sizeof(struct s) 不一定等于 sizeof(struct s中的每一个成员)的和
//      <2>结构体大小不仅由成员的大小决定（sizeof(member)）,而且还要考虑编译器用来优化的对齐。
// 编译器的优化对齐(alignment), 是为了减少访问总线的次数。
//由于数据总线的位数（由机器字长决定），为了减少数据访问的次数。
//这样可以保证机器字长整数倍的基本类型（而非自定义类型）
//能够通过 sizeof(基本类型)/sizeof(size_t)此总线访问完成；
//通过实验, 我得出的对齐规则是：
// char  偏移地址二进制的最后一位：0/1；即1的倍数的地址对齐性；即任意对齐性；
// short 偏移地址二进制的最后一位：0；  即2的倍数地址的对齐性；即偶数地址对齐性；
// int   偏移地址二进制的最后两位：00； 即4的倍数的地址对齐性；
// float 偏移地址二进制的最后两位：00； 即4的倍数的地址对齐性；
// long  偏移地址二进制的最后三位：000；即8的倍数的地址对齐性；
// double偏移地址二进制的最后三位：000；即8的倍数的地址对齐性；
//总之，struct中基本类型成员的偏移地址时一定是sizeof(基本类型)的整数倍，
//自定义类型偏移地址的对齐性是任意的.
//推过这种方式，就能解释sizeof(struct s)不等于所有成员的sizeof的和。
// sizeof(struct s) 除了满足以上偏移地址对齐外，
// 是其大小为其基本类型成员的sizeof值最大的成员的sizeof值的整数倍
// 也就是说为最大的基本类型的sizeof值得整数倍。

#define FIND(s, member)  (size_t)(&((*((s *)((void *)0))).member))
#define FIND1(s, member) (size_t)(&(*((s *)0)).member)
#define FIND2(s, member) (size_t)(&(((s *)0)->member))

#define DISPLACEMENT1(structure, member) (size_t) &((*((structure *)0)).member)
#define DISPLACEMENT2(structure, member) (size_t) &(((structure *)0)->member)

struct c {
    char a;     //1字节 [0, 0]
    char c[5];  //5字节 [1, 5]
 //char cc[2];  //填充2字节 [6, 7]
                //8字节

    int  b;    //12字节 [8, 11]

    char d;    //14字节 [12, 13] //填充一字节
    short e;   //16字节 [14, 15]

    char f;    //17字节 [16, 16]
    char g;    //18字节 [17, 17]
    char h;    //19字节 [18, 18]
    //char i;  //20字节  [19, 19]
    short s;   //24字节 [20, 23]
};

struct ccc {
    char a;     // 0
    int  b;     // 4
    char c[5];  // 8
    char d;     // 13
    double e;   // 16
    char f;     // 24
    char g;     // 25
    //int h;     // 28
};


struct d {
    char a;  //0
    short b; //2
    int c;   //4
    char d;  //8
    double f;//16
};

struct e {
    char a;   //0
    double b; //8
    char c;   //16
};           //24

struct f {
    char a;   // 0
    float b;  // 4
    char c;   // 8
};

struct g {
    char a;
    short b;
    char c;
};
         // 12
int main()
{
    cout << FIND(student, a) << endl;
    cout << FIND(student, b) << endl;
    cout << FIND(student, c) << endl;
    cout << FIND(student, d) << endl;
    cout << endl;

    cout << FIND1(student, a) << endl;
    cout << FIND1(student, b) << endl;
    cout << FIND1(student, c) << endl;
    cout << FIND1(student, d) << endl;
    cout << endl;


    cout << FIND2(student, a) << endl;
    cout << FIND2(student, b) << endl;
    cout << FIND2(student, c) << endl;
    cout << FIND2(student, d) << endl;
    cout << endl;





    cout << DISPLACEMENT1(student, a) << endl;
    cout << DISPLACEMENT1(student, b) << endl;
    cout << DISPLACEMENT1(student, c) << endl;
    cout << DISPLACEMENT1(student, d) << endl;
    cout << endl;


    cout << DISPLACEMENT2(student, a) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(student, b) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(student, c) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(student, cc) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(student, d) << endl;
    cout << "sizeof(student) = " << sizeof(student) << endl;
    cout << endl;

    cout << DISPLACEMENT2(c, a) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, b) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, c) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, d) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, e) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, f) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, g) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, h) << endl;
   // cout << DISPLACEMENT2(c, i) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(c, s) << endl;
    cout << "sizeof(c) = " << sizeof(c) << endl;
    cout << "sizeof(c.c) = " << sizeof(((c*) 0)->c) << endl;
    cout << endl;

    cout << DISPLACEMENT2(ccc, a) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, b) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, c) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, d) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, e) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, f) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(ccc, g) << endl;
    //cout << DISPLACEMENT2(ccc, h) << endl;
    cout << "sizeof(ccc) = " << sizeof(ccc) << endl;
    cout << endl;

    student s;
    cout << sizeof(s.cc) << endl; //you
    cout << sizeof(c) << endl;
    cout << sizeof(ccc) << endl;


    cout << "sizeof(d) = "  << sizeof(d) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(d, a) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(d, b) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(d, c) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(d, d) << endl;
    cout << DISPLACEMENT2(d, f) << endl;
    cout << endl;

    cout << endl;
    cout << "sizeof(cc) = " << sizeof(cc) << endl;
    cout << "sizeof(student) = " << sizeof(student) << endl;
    cout << "sizeof(ccc) = " << sizeof(ccc)  << endl;
    cout << "sizeof(c) = " << sizeof(c) << endl;
    cout << "sizeof(d) = " << sizeof(d) << endl;
    cout << "sizeof(e) = " << sizeof(e) << endl;
    cout << "sizeof(f) = " << sizeof(f) << endl;
    cout << "sizeof(g) = " << sizeof(g) << endl;

    cout << "Hello world!" << endl;
    return 0;
}

补充：

首先要明确sizeof不是函数，也不是一元运算符，//这个有待商榷，因为运算符优先级里有它。
他是个类似宏定义的特殊关键字，sizeof()；
括号内在编译过程中是不被编译的，而是被替代类型，
如 int a=8；sizeof(a)；
在编译过程中，它不管a的值是什么，只是被替换成类型 sizeof（int）；结果为4.
如果sizeof（a=6）；呢,也是一样的转换成a的类型，但是要注意因为a=6是不被编译的，所以执行完sizeof（a=6）；a的值还是8，是不变的！

记住以下几个结论：
1.unsigned影响的只是最高位bit的意义（正负），数据长度不会被改变的。所以sizeof(unsigned int) == sizeof(int)；
2.自定义类型的sizeof取值等同于它的类型原形。如typedef short WORD;sizeof(short) == sizeof(WORD)。
3.对函数使用sizeof，在编译阶段会被函数返回值的类型取代。如：int f1(){return 0;};
cout < <sizeof(f1()) < <endl; // f1()返回值为int，因此被认为是int
4.只要是指针，大小就是4。如：cout < <sizeof(string*) < <endl; // 4
5.数组的大小是各维数的乘积*数组元素的大小。如：

char a[] = “abcdef “;
int b[20] = {3, 4};
char c[2][3] = { 'a', 'b'};
cout << sizeof(a) << endl; // 7
cout << sizeof(b) << endl; // 20*4
cout << sizeof(c) << endl; // 6
数组a的大小在定义时未指定，编译时给它分配的空间是按照初始化的值确定的，也就是7，包括‘\0’的。

6.字符串的sizeof和strlen，用例子说明：
char a[] = “abcdef “;
char b[20] = “abcdef “;
string s = “abcdef “;
cout << strlen(a) << endl; // 6，字符串长度
cout << sizeof(a) << endl; // 7，字符串容量
cout << strlen(b) << endl; // 6，字符串长度
cout << sizeof(b) << endl; // 20，字符串容量
cout << sizeof(s) << endl; //4, 这里不代表字符串的长度，而是string类的大小
cout << strlen(s) << endl; // 错误！s不是一个字符指针。

cout << strlen(s.c_str()) << endl;

a[1] = '\0';
cout < <strlen(a) < <endl; // 1
cout < <sizeof(a) < <endl; // 7，sizeof是恒定的

参考：http://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment

http://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/