c语言——结构体偏移

c语言——结构体偏移

学习结构体偏移前,我们先复习一下c语言的数据类型、结构体对齐。

整数类型

下表列出了关于标准整数类型的存储大小和值范围的细节:

类型存储大小值范围
char1 字节-128 到 127 或 0 到 255
unsigned char1 字节0 到 255
signed char1 字节-128 到 127
int2 或 4 字节-32,768 到 32,767 或 -2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned int2 或 4 字节0 到 65,535 或 0 到 4,294,967,295
short2 字节-32,768 到 32,767
unsigned short2 字节0 到 65,535
long4 字节-2,147,483,648 到 2,147,483,647
unsigned long4 字节0 到 4,294,967,295

注意,各种类型的存储大小与系统位数有关,但目前通用的以64位系统为主。
以下列出了32位系统与64位系统的存储大小的差别(windows 相同):

为了得到某个类型或某个变量在特定平台上的准确大小,您可以使用 sizeof 运算符。表达式 sizeof(type) 得到对象或类型的存储字节大小。

浮点类型

下表列出了关于标准浮点类型的存储大小、值范围和精度的细节:

类型存储大小值范围精度
float4 字节1.2E-38 到 3.4E+386 位小数
double8 字节2.3E-308 到 1.7E+30815 位小数
long double16 字节3.4E-4932 到 1.1E+493219 位小数

结构体对齐

结构体计算要遵循字节对齐原则。

结构体默认的字节对齐一般满足三个准则:

  • 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除;
  • 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍,如有需要编译器会在成员之间加上填充字节(internal adding);
  • 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍,如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节(trailing padding)

结构体大小的计算

例子

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>


struct address {
   char name[50];
   char street[50];
   int phone;
};

int main()
{
   printf("address 结构中的 name 偏移 = %d 字节。\n",
   offsetof(struct address, name));

   printf("address 结构中的 street 偏移 = %d 字节。\n",
   offsetof(struct address, street));

   printf("address 结构中的 phone 偏移 = %d 字节。\n",
   offsetof(struct address, phone));

   return(0);
}

运行

address 结构中的 name 偏移 = 0 字节。
address 结构中的 street 偏移 = 50 字节。
address 结构中的 phone 偏移 = 100 字节。

结构体成员偏移量

test01

struct A
{
	char a1; //0
	int a2; //4-7
};

void test01()
{

	struct A a = { 'b', 20 };
	printf("A.a2:%d\n", *(int *)((char *)&a + offsetof(struct A, a2)));
	printf("A.a2:%d\n",   *((int *)&a + 1)   );

}

运行

A.a2:20
A.a2:20

test02

struct B
{
	char a;
	int b;
	struct C c;
};

void test02()
{
	struct B b = { 'a', 20, 30, 3.14 };

	int off1 = offsetof(struct B, c);
	int off2 = offsetof(struct C, b);

	printf("off1=%d\n", off1);
	printf("off2=%d\n", off2);

	printf("%f\n", *(double *)(((char *)&b + off1) + off2));
	printf("%d\n", &(b.c.b));
	printf("%f\n", ((struct C *)((char *)&b + off1))->b );
}

运行

off1=8
off2=8
3.140000
11533292
3.140000

test03

struct Student{
	int a; //0-3
	char b; //4-7
	double c; //8-15
	float d;//16-19
};

void test03()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct Student));
}

运行

24

因为结构体对齐,所以8 * 3 = 24

参考资料

C 库宏-offsetof()
C 标准库-<stddef.h>
C 数据类型

### C语言结构体对齐的原理和方法 #### 一、结构体对齐的基本概念 在C语言中,为了提高数据访问效率以及满足硬件架构的要求,编译器会对结构体中的成员进行内存对齐处理。这种对齐遵循一定的规则,主要包括以下几个方面: 1. **第一个成员的位置** 结构体的第一个成员始终存储在其分配空间的起始地址上[^2]。 2. **其他成员的对齐规则** 对于后续成员,它们会被放置在一个特定数值(称为对齐数)的整数倍地址处。这个对齐数通常是该成员类型的大小或者编译器指定的默认对齐值两者之间的最小值。 3. **填充字节的作用** 如果某个成员无法直接放在下一个可用位置而违反上述规则,则会通过插入额外的填充字节来调整其位置,从而实现正确的对齐[^3]。 4. **整体大小调整** 整个结构体最终占据的空间也需是对其中最宽基本类型成员大小的一个整数倍;如果必要的话,在最后一个字段后面还会增加一些尾部填充以达到这一目标。 #### 二、影响因素分析 - **平台差异** - 不同的操作系统可能有不同的默认对齐策略。例如,在Windows环境下使用Microsoft Visual Studio开发工具链时,默认情况下采用的是8字节边界对齐模式;而在大多数Linux发行版里则倾向于更紧凑些即按4字节单位排列。 - **自定义指令控制** - 开发者可以利用预处理器命令`#pragma pack(n)`来自行设定新的打包参数n (通常为1,2,4,...),以此改变当前作用域内的所有新声明对象内部组件间的间隔程度[#1]. #### 三、实例解析 考虑以下代码片段及其运行结果解释: ```c #include<stdio.h> #pragma pack(8)//交代按照8字节对齐宽度 struct A { char x;//占用1字节 char y; char z; }; struct B { char x; int y;//占用4字节 char z; }; int main(){ struct A a; struct B b; printf("%d\n",sizeof(a)); // 输出3 printf("%d\n",sizeof(b)); // 输出12 return 0; } ``` 对于结构A而言,由于三个字符型变量连续分布并无任何中间隔开的需求所以实际消耗正好等于各自长度之和也就是3字节[^1]。 然而针对B来说情况变得复杂起来因为存在不同类型的数据混合在一起的情况: - 首先是单字节的'x',它自然位于偏移量为零的地方; - 接下来的'int y'(四字节),考虑到前面已经用了1个字节因此这里需要补齐至最近合适的四位点再开始计数故产生了三个空闲位使得y真正意义上的起点应该是第四个单元格而非第二个; - 最后的另一个单独存在的char 'z'同样也要顾及之前留下的空白进而再次跳过直至找到适合自己的八分之一界限才正式安顿下来再加上必要的结尾补充总共构成了十二个有效区域^. #### 四、总结说明 综上所述,C编程环境里的复合资料形式——结构体并非简单地把各个组成部分堆叠起来就算完成而是经过精心设计过的布局过程旨在兼顾性能表现的同时又能保持良好的可移植特性.[^2] ---
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