结构体字节对齐

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 在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时,并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加,这里涉及到内存字节对齐的问题。从理论上讲,对于任何 变量的访问都可以从任何地址开始访问,但是事实上不是如此,实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问,这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列, 而不是简单地顺序排列,这就是内存对齐。

      内存对齐的原因:

      1)某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据;

      2)提高存取数据的速度。比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据,对于一个int型的变量,若从偶地址单元处存放,则只需一个读取周期即可读取该变量;但是若从奇地址单元处存放,则需要2个读取周期读取该变量。

       win32平台下的微软C编译器对齐策略:

      1)结构体变量的首地址能够被其最宽数据类型成员的大小整除。编译器在为结构体变量开辟空间时,首先找到结构体中最宽的数据类型,然后寻找内存地址能被该数据类型大小整除的位置,这个位置作为结构体变量的首地址。而将最宽数据类型的大小作为对齐标准。

      2)结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量(offset)都是每个成员本身大小的整数倍,如有需要会在成员之间填充字节。编译器在为结构体成员开辟空 间时,首先检查预开辟空间的地址相对于结构体首地址的偏移量是否为该成员大小的整数倍,若是,则存放该成员;若不是,则填充若干字节,以达到整数倍的要 求。

      3)结构体变量所占空间的大小必定是最宽数据类型大小的整数倍。如有需要会在最后一个成员末尾填充若干字节使得所占空间大小是最宽数据类型大小的整数倍。

 

下面看一下sizeof在计算结构体大小的时候具体是怎样计算的

1.test1   空结构体

typedef struct  node
{
     
}S;

则sizeof(S)=1;或sizeof(S)=0;

在C++中占1字节,而在C中占0字节。

2.test2

typedef struct  node1
{
     int  a;
     char  b;
     short  c;
}S1;

则sizeof(S1)=8。这是因为结构体node1中最长的数据类型是int,占4个字节,因此以4字节对齐,则该结构体在内存中存放方式为

|--------int--------|   4字节

|char|----|--short-|   4字节

总共占8字节

3.test3

typedef struct  node2
{
     char  a;
     int  b;
     short  c;
}S2;

 则siezof(S3)=12.最长数据类型为int,占4个字节。因此以4字节对齐,其在内存空间存放方式如下:

|char|----|----|----|  4字节

|--------int--------|  4字节

|--short--|----|----|  4字节

总共占12个字节

4.test4  含有静态数据成员 

typedef struct  node3
{
     int  a;
     short  b;
     static  int  c;
}S3;

则sizeof(S3)=8.这里结构体中包含静态数据成员,而静态数据成员的存放位置与结构体实例的存储地址无关(注意只有在C++中结构体中才能含有静态数据成员,而C中结构体中是不允许含有静态数据成员的)。其在内存中存储方式如下:

|--------int--------|   4字节

|--short-|----|----|    4字节

而变量c是单独存放在静态数据区的,因此用siezof计算其大小时没有将c所占的空间计算进来。

5.test5  结构体中含有结构体

typedef struct  node4
{
     bool  a;
     S1 s1;
     short  b;
}S4;

则sizeof(S4)=16。是因为s1占8字节,而s1中最长数据类型为int,占4个字节,bool类型1个字节,short占2字节,因此以4字节对齐,则存储方式为

|-------bool--------|  4字节

|-------s1----------|  8字节

|-------short-------|  4字节

6.test6

typedef struct  node5
{
     bool  a;
     S1 s1;
     double  b;
     int  c;
}S5;

则sizeof(S5)=32。是因为s1占8字节,而s1中最长数据类型为int,占4字节,而double占8字节,因此以8字节对齐,则存放方式为:

|--------bool--------|    8字节

|---------s1---------|    8字节

|--------double------|    8字节

|----int----|---------|     8字节 

7.test7 

若在程序中使用了#pragma pack(n)命令强制以n字节对齐时,默认情况下n为8.

则比较n和结构体中最长数据类型所占的字节大小,取两者中小的一个作为对齐标准。

若需取消强制对齐方式,则可用命令#pragma pack()

如果在程序开头使用命令#pragma pack(4),对于下面的结构体

typedef struct  node5
{
     bool  a;
     S1 s1;
     double  b;
     int  c;
}S5;

则sizeof(S5)=24.因为强制以4字节对齐,而S5中最长数据类型为double,占8字节,因此以4字节对齐。在内存中存放方式为:

  |-----------a--------|   4字节

  |--------s1----------|   4字节

  |--------s1----------|   4字节

  |--------b-----------|   4字节

  |--------b-----------|   4字节

  |---------c----------|    4字节

总结一下,在计算sizeof时主要注意一下几点:

1)若为空结构体,则只占1个字节的单元

2)若结构体中所有数据类型都相同,则其所占空间为 成员数据类型长度×成员个数

若结构体中数据类型不同,则取最长数据类型成员所占的空间为对齐标准,数据成员包含另一个结构体变量t的话,则取t中最 长数据类型与其他数据成员比较,取最长的作为对齐标准,但是t存放时看做一个单位存放,只需看其他成员即可。

3)若使用了#pragma pack(n)命令强制对齐标准,则取n和结构体中最长数据类型占的字节数两者之中的小者作为对齐标准。

 

另外除了结构体中存在对齐之外,普通的变量存储也存在字节对齐的情况,即自身对齐。编译器规定:普通变量的存储首地址必须能被该变量的数据类型宽度整除。

测试程序:

?
/*测试sizeof运算符  2011.10.1*/
 
#include <iostream>
using  namespace  std;
//#pragma pack(4)    //设置4字节对齐
//#pragma pack()     //取消4字节对齐
 
typedef  struct  node
{
     
}S;
 
typedef  struct  node1
{
     int  a;
     char  b;
     short  c;
}S1;
 
typedef  struct  node2
{
     char  a;
     int  b;
     short  c;
}S2;
 
typedef  struct  node3
{
     int  a;
     short  b;
     static  int  c;
}S3;
 
typedef  struct  node4
{
     bool  a;
     S1 s1;
     short  b;
}S4;
 
typedef  struct  node5
{
     bool  a;
     S1 s1;
     double  b;
     int  c;
}S5;
 
 
 
int  main( int  argc,  char  *argv[])
{
     cout<< sizeof ( char )<< " " << sizeof ( short )<< " " << sizeof ( int )<< " " << sizeof ( float )<< " " << sizeof ( double )<<endl;
     S s;
     S1 s1;
     S2 s2;
     S3 s3;
     S4 s4;
     S5 s5;
     cout<< sizeof (S3)<<endl;
     cout<< sizeof (s)<< " " << sizeof (s1)<< " " << sizeof (s2)<< " " << sizeof (s3)<< " " << sizeof (s4)<< " " << sizeof (s5)<<endl;
     return  0;
}
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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。 

1-1 

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。 

2 

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。 

3 

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。 

4 

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

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

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