C++结构体计算小结

最新推荐文章于 2024-06-12 21:30:00 发布

原创最新推荐文章于 2024-06-12 21:30:00 发布 · 381 阅读

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#c语言 #结构 #数据 #结构体大小 #对齐值

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本文深入探讨了内存对齐的基本原则及其实现方法，解释了为何需要对数据进行特定方式的排列，以及如何通过计算得出正确的对齐方式。文中还介绍了在不同硬件平台上对齐的重要性，以及它对数据存取效率的影响。

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在阅读前，我要提出一个问题：存储变量时地址为什么要使用对齐。问的详细点，为什么要将各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放？

一、原则

由于存储变量时地址对齐的要求，编译器在编译程序时会遵循两条原则：

结构体变量中成员的偏移量必须是成员大小的整数倍（0被认为是任何数的整数倍）
结构体大小必须是所有成员大小的整数倍

一、几个基本概念

数据类型自身的对齐值
说明：数据类型的自身长度。如short c占2个字节，c的对齐值为2。
结构体或类的自身对齐值
说明：其成员中自身对齐值最大的那个值。示例中a的对齐值最大，所以结构体stu的自身对齐值为4。
示例：
struct stu
{
char b;
int a;
short c;
};
指定对齐值
说明：#pragram pack(value)时指定对齐值value
数据成员、结构体和类的有效对齐值
说明：自身对齐值和指定对齐值中最小的那个值

二、计算方法

1、没有指定对齐值

示例：
struct stu
{
    char b;
    int a;
    short c;
};

序号	变量类型	自身对齐值	指定对齐值	有效对齐值	存储范围
1	char b	1	-	1	0x0000~0x0001
2	int a	4	-	4	0x0004~0x0007
3	short c	2	-	2	0x0008~0x0009

结论：最终求得结构体大小为10，但据“原则2：结构体大小必须是所有成员大小的整数倍”，也就是变量类型中最大的自身对齐值的整数倍，即4的整数倍，所以要调整为12。

技巧：
第n 行的首地址%第n行的有效对齐值 = {第n-1行的首地址 + 第n-1行的自身对齐值 + x（x>=0）} % 第n行的有效对齐值 = 0

2、指定对齐值

#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};

序号	变量类型	自身对齐值	指定对齐值	有效对齐值	存储范围
1	char b	1	2	1	0x0000~0x0001
2	int a	4	2	2	0x0002~0x0005
3	short c	2	2	2	0x0006~0x0007

结论：最终求得结构体大小为8，恰巧是最大自身对齐值4的整数倍。

技巧：
第n 行的首地址%第n行的有效对齐值 = {第n-1行的首地址 + 第n-1行的自身对齐值 + x（x>=0）} % 第n行的有效对齐值 = 0

三、总结

现在回答提出的问题，对齐的作用和原因。

各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。

比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地，就需要2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该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。