关于C编译器里字节对齐的问题

是看了优快云上一篇文章,很有感想,把问题总结了一下,找了一些资料,把知识点结合了一下,算一个资源的集合吧.
声明:只是为了方便个人学习用:)

首先是来自http://blog.youkuaiyun.com/wenddy112/articles/300583.aspx<<通过#pragma pack(n)改变C编译器的字节对齐方式>>上的一个问题:
对于下面的结构体
struct test
{
     char x1;
     short x2;
     float x3;
     char x4;
};
结构各成员空间分配情况是怎样的?
文章中解释:
结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在 test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了 3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。
同时,说明了更改C编译器的缺省字节对齐方式: 在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：
　· 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
    · 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。
另外，还有如下的一种方式：
     · __attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
     · __attribute__ ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。
以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。


下面是优快云上提出的问题(原文<<intel和微软和本公司同时出现的面试题>>:http://community.youkuaiyun.com/Expert/TopicView3.asp?id=3804035)
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#pragma pack(8)

struct s1{
short a;
long b;
};

struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};

#pragma pack()

问
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c后面空了几个字节接着是d?
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下面是redleaves(ID最吊的网友)给出的解释:
很详尽,很透彻,从论坛原文后头的对话可以看出redleaves对C/C++的标准理解很深刻,值得偶学习:)
#pragma pack(8)
struct S1{
char a;
long b;
};
struct S2 {
char c;
struct S1 d;
long long e;
};
#pragma pack()
sizeof(S2)结果为24.
成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐.
也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.
S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;
S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节.
a b
S1的内存布局：11**,1111,
c S1.a S1.b d
S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111

这里有三点很重要:
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度
2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐

对于数组,比如:
char a[3];这种,它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐.
如果写: typedef char Array3[3];
Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度.
不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个.

下面是从另外一篇文章(http://community.youkuaiyun.com/Expert/TopicView3.asp?id=3564500)的一些对各个类型以及结构体对齐方式的补充:

为了能使CPU对变量进行高效快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，即所谓的“对齐”。例如对于4字节的int类型变量，其起始地址应位于4字节边界上，即起始地址能够被4整除。变量的对齐规则如下（32位系统）：
Type
Alignment
char
在字节边界上对齐
short (16-bit)
在双字节边界上对齐
int and long (32-bit)
在4字节边界上对齐
float
在4字节边界上对齐
double
在8字节边界上对齐
structures
单独考虑结构体的个成员，它们在不同的字节边界上对齐。
其中最大的字节边界数就是该结构的字节边界数。

如果结构体中有结构体成员，那么这是一个递归的过程。
设编译器设定的最大对齐字节边界数为n，对于结构体中的某一成员item，它相对于结构首地址的实际字节对齐数

目X应该满足以下规则：
X = min(n, sizeof(item))
例如，对于结构体
struct {
char a;
long b;
} T;
当位于32位系统，n=8时：
a的偏移为0，
b的偏移为4，中间填充了3个字节, b的X为4；

当位于32位系统，n=2时：
a的偏移为0，
b的偏移为2，中间填充了1个字节，b的X为2；
结构体的sizeof:
设结构体的最后一个成员为LastItem，其相对于结构体首地址的偏移为offset（LastItem），其大小为sizeof(LastItem)，结构体的字节对齐数为N，则：结构体的sizeof 为： 若offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)能够被N整除，那么就是offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)，否则，在后面填充，直到能够被N整除。
另外:
1） 对于空结构体，sizeof ＝＝ 1；因为必须保证结构体的每一个实例在内存中都有独一无二的地址.
2） 结构体的静态成员不对结构体的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构体的实例地址无关。例如：
struct {static int I;} T; struct {char a; static int I;} T1;
sizeof(T) == 1; sizeof(T1) == 1;

要想更进一步了解编译器对结构体及各变量对齐方式的处理,尤其是变量及结构体大小的用法(sizeof的用法)
推荐阅读下面一篇文章(可惜没有下篇:():
<<sizeof，终极无惑(上)>>:http://blog.youkuaiyun.com/freefalcon/archive/2004/07/28/54839.aspx