c++内存对齐的规则

最新推荐文章于 2025-03-15 16:14:15 发布

孤影丶丶丶

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本文详细解析了结构体内存布局的原理，包括成员对齐、结构体对齐和编译器对齐指令等方面，通过实例说明了不同成员顺序对结构体大小的影响。

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结构体的内存布局依赖于CPU、操作系统、编译器及编译时的对齐选项。结构体内部成员的对齐要求，结构体本身的对齐要求。最重要的有三点

(一)成员对齐。对于结构体内部成员，通常会有这样的规定：各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数。但是也可以看到，有时候某些字段如果严格按照大小紧密排列，根本无法达到这样的目的，因此有时候必须进行padding。各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的对齐方式调整位置，空缺的字节编译器会自动填充也就是padding。

(二)然后，还要考虑整个结构体的对齐需求。ANSI C标准规定结构体类型的对齐要求不能比它所有字段中要求最严格的那个宽松，可以更严格。实际上要求结构体至少是其中的那个最大的元素大小的整数倍。因为有时候我们使用的是结构体数组，所以结构体的大小还得保证结构体数组中各个结构体满足对齐要求，同时独立的结构体与结构体数组中单个结构体的大小应当是一致的。

(三)编译器的对齐指令。VC 中提供了#pragma pack(n)来设定变量以n字节对齐方式。n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数。

如下程序
#include <iostream>
using namespace std;
struct st1 
 {
     char a ;
     int  b ;
     short c ;
 };
 
 struct st2
 {
     short c ;
     char  a ;
     int   b ;
 };

 int main()
 {
     cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
     cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
     return 0 ;
 }

程序的输出结果为：

sizeof(st1) is 12

sizeof(st2) is 8

问题出来了，这两个一样的结构体，为什么sizeof的时候大小不一样呢？

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

内存对齐，正是因为内存对齐的影响，导致结果不同。

对于大多数的程序员来说，内存对齐基本上是透明的，这是编译器该干的活，编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，从而导致了相同的变量，不同声明顺序的结构体大小的不同。

那么编译器为什么要进行内存对齐呢？程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后，结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前，先来看下内存对齐的规则：

1、对于结构的各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则：

St1 ：char占一个字节，起始偏移为0 ，int 占4个字节，min(#pragmapack()指定的数，这个数据成员的自身长度) = 4（VC6默认8字节对齐），所以int按4字节对齐，起始偏移必须为4的倍数，所以起始偏移为4，在char后编译器会添加3个字节的额外字节，不存放任意数据。short占2个字节，按2字节对齐，起始偏移为8，正好是2的倍数，无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束，此时的内存状态为：

oxxx|oooo|oo

0123 4567 89 （地址）

（x表示额外添加的字节）

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行，st1结构中最大数据成员长度为int，占4字节，而默认的#pragma pack 指定的值为8，所以结果本身按照4字节对齐，结构总大小必须为4的倍数，需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为：

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab （地址）

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

同理

str2此时的内存状态为：

ooox|oooo

0123 4567 （地址）

内存对齐的主要作用是：

1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

2、性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

图一：