C语言结构体大小与字节对齐关系

 

1. 什么是字节对齐？

在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然边界（alignment）分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

为了使CPU能够对变量进行快速的访问,变量的起始地址应该具有某些特性,即所谓的”对齐”. 比如4字节的int型,其起始地址应该位于4字节的边界上,即起始地址能够被4整除.

2. 字节对齐有什么作用？

字节对齐的作用不仅是便于cpu快速访问，同时合理的利用字节对齐可以有效地节省存储空间。

对于32位机来说，4字节对齐能够使cpu访问速度提高，比如说一个long类型的变量，如果跨越了4字节边界存储，那么cpu要读取两次，这样效率就低了。但是在32位机中使用1字节或者2字节对齐，反而会使变量访问速度降低。所以这要考虑处理器类型，另外还得考虑编译器的类型。在vc中默认是4字节对齐的，GNU gcc 也是默认4字节对齐。

 

数据类型字长和编译器平台有关系，对应关系如下图：

其中，彩色部分代表的意思是该类型在三种平台下所占字节大小不同，黑色说明所占字节数相同！

 

3. 字节对齐原则

先来看四个重要的基本概念：

     1) 数据类型自身的对齐值：char型数据自身对齐值为1字节，short型数据为2字节，int/float型为4字节，double型为8字节。

     2) 结构体或类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

     3) 指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。

     4) 数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}。

对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍就行了，而非标准数据类型按下面的原则对齐： 
数组 ：按照基本数据类型对齐，第一个对齐了后面的自然也就对齐了。 
联合 ：按其包含的长度最大的数据类型对齐。 
结构体： 结构体中每个数据类型都要对齐。

当数据类型为结构体时，编译器可能需要在结构体字段的分配中插入间隙，以保证每个结构元素都满足它的对齐要求。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放（对于非对齐成员需要在其前面填充一些字节，保证其在对齐位置上）。

最后要注意的是，不仅每个结构体成员要遵守字节对齐的原则，整个结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体总长度需要是结构体有效对齐值的整数倍)，此时可能需要在结构末尾填充一些空间，以满足结构体整体的对齐—-向结构体元素中最大的元素对齐。在Linux中2字节数据类型(例如short)的地址必须是2的倍数，而较大的数据类型(例如int，int *，float和double)的地址必须是4的倍数。也就是说Linux下要么2字节对齐，要么4字节对齐，没有其他格式的对齐，GNU gcc 也是默认4字节对齐。

 

通过上面的分析，对结构体进行字节对齐，我们需要知道四个值：

• 指定对齐值：代码中指定的对齐值，记为packLen；
• 默认对齐值：结构体中每个数据成员及结构体本身都有默认对齐值，记为defaultLen；
• 成员偏移量：即相对于结构体起始位置的长度，记为offset；
• 成员长度：结构体中每个数据成员的长度（注结构体成员为补齐之后的长度），记为memberLen。

及两个规则：

1. 对齐规则： offset % vaildLen = 0，其中vaildLen为有效对齐值vaildLen = min(packLen, defaultLen)；
2. 填充规则： 如成员变量不遵守对齐规则，则需要对其补齐；在其前面填充一些字节保证该成员对齐。需填充的字节数记为pad

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。在代码中，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。

例子：

struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};

由于编译器默认情况下会对这个struct作自然边界（有人说“自然对界”我觉得边界更顺口）对齐，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恰好落在其自然边界地址上，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边界单元，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。

 

#pragma pack(1) //让编译器对这个结构作1字节对齐
struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
#pragma pack() //取消1字节对齐，恢复为默认4字节对齐

这时候sizeof(struct test)的值为8。

 

#define GNUC_PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}GNUC_PACKED;

这时候sizeof(struct test)的值仍为8。

 

4. 结构体举例

例子1

/************************
    > File Name: struct_test.c
    > Author:Marvin
    > Created Time: Thu 22 Mar 2018 07:19:46 PM CST
 **********************/

#include<stdio.h>


int main()
{
    struct test {
        char a;
        short b;
        int c;
        long d;
    };
    struct test t = {'a',11,11,11};

    printf("size of struct t = %u\n", sizeof(t));

    return 0;
}

在64位centos上编译编译后结构struct test的布局如下:

由于要保证结构体每个元素都要数据对齐，因此必须在a和b之间插入1字节的间隙使得后面的short元素2字节对齐int元素4字节对齐long元素8字节对齐，这样最终test结构大小为16字节。

运行程序结果为:

size of struct t = 16

例子2

现在考虑这样一个结构体：

struct test2 {
    int a;
    long b;
    char c;
};
struct test2 t2 = {11,11,'c'};

在64位centos上编译编译后结构struct test2的布局如下:

结构体struct test2的自然对界条件为8字节，所以需要在最后的char型数据后面再填充7个字节使得结构体整体对齐。

运行程序结构为

size of struct test2 = 24

例子3

不妨将结构体struct test2里面成员的顺序重新排列一下：

struct test3 {
    char c;
    int a;
    long b;
};
struct test3 t3 = {'c',11,11};

在64位centos上编译编译后结构struct test2的布局如下:

运行结果为：

size of struct test3 = 16

可见适当地编排结构体成员地顺序，可以在保存相同信息地情况下尽可能节约内存空间。

例子4

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

假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求，0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B共有12个字节,sizeof(struct B)=12;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了,因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那么第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果我们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么下一个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能满足结构的地址对齐了,因此我们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.其实诸如:对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了. 
例子5

#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

对于结构体嵌套地情况，结构体对齐算法思想：深度优先填充。

padLen = getPadLen(offset , defaultLen);
int getPadLen(int offsetLen, int defaultLen)
{
  int vaildLen = min(packLen,defaultLen);
  if(0 == vaildLen || 0 == offsetLen % vaildLen)
  {
    return 0;
  }
  return vaildLen - (offsetLen % vaildLen);
}

先对齐内层结构体：对每个数据成员计算其defaultLen、memberLen和offset；

再遍历每个数据成员时计算：对于基本数据类型成员defaultLen=memberLen；对于结构体成员defaultLen等于它的所有成员的最大的memberLen；遍历时对成员的memberLen进行累加，得到当前成员的offsetLen；

运用对齐及填充规则：在当前结构体成员前填充padLen个字节；

下面是结构体作为成员的例子：

struct test1 {
    int a;
    long b;
};
struct test4 {
    char a;
    struct test1 b;
    int c;
};
struct test4 t4 = {'a', {11,11},11}

test1的内存分布:

test4的内存分布:

5. 字节对齐可能带来的隐患

代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。例如：

unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;

最后两句代码，从奇数边界去访问unsignedshort型变量，显然不符合对齐的规定。 
在x86上，类似的操作只会影响效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一个error,因为它们要求必须字节对齐.

如何查找与字节对齐方面的问题

如果出现对齐或者赋值问题首先查看

1. 编译器的big little端设置
2. 看这种体系本身是否支持非对齐访问
3. 如果支持看设置了对齐与否,如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作

举例：

#include<iostream>

using namespace std;

//windows 64 位默认 结构体对齐系数为8，32位 结构体对齐系数为4

//测试系统对齐系数
// #pragma pack(8)  my_struct_1 为16字节
// #pragma pack(4)  my_struct_1 为12字节
// 不加#pragma pack(8)  my_struct_1 为16字节
//顾系统默认对齐系数为8

struct my_struct_1
{
    char a;     //1
    double b;   //之前补7 +8     8/8==1
};

#pragma pack(4)
struct my_struct_2
{
    char a;    //1
    double b;  //3+8
    int c;     //4     16/4=4
};
#pragma pack()

#pragma pack(2)
struct my_struct_3
{
    char a;    //1
    double b;  //1+8
    int c;     //4     14/2
};
#pragma pack()

#pragma pack(4)
struct my_struct_4
{
    char a[5];  //5
    double b;   //3+8   16/4
};
#pragma pack()

#pragma pack(2)
struct my_struct_5
{
    char a[5];  //5
    double b;   //1+8   14/2
};
#pragma pack()

#pragma pack(4)
struct my_struct_6
{
    char a;    //1
    char b[3]; //3
    char c;    //1   1+3+1
};
#pragma pack()

#pragma pack(4)
struct my_struct_7
{
    char a;    //1
    char b[3]; //3
    char c;    //1   
    int d;     //补齐 3 +4 
};
#pragma pack()

#pragma pack(4)
struct test
{
char x1;   //1
short x2;  //补齐1+ 2
float x3;  //4
char x4;   //1 补齐+3  
};
#pragma pack()

int main()
{
    cout<<"char:"<<sizeof(char)<<endl;
    cout<<"short:"<<sizeof(short)<<endl;
    cout<<"int:"<<sizeof(int)<<endl;
    cout<<"long:"<<sizeof(long)<<endl;
    cout<<"float:"<<sizeof(float)<<endl;
    cout<<"double:"<<sizeof(double)<<endl;
    cout<<"long double:"<<sizeof(long double)<<endl;

    cout<<sizeof(my_struct_1)<<endl;//8
    cout<<sizeof(my_struct_2)<<endl;//16
    cout<<sizeof(my_struct_3)<<endl;//14
    cout<<sizeof(my_struct_4)<<endl;//16
    cout<<sizeof(my_struct_5)<<endl;//14
    cout<<sizeof(my_struct_6)<<endl;//5
    cout<<sizeof(my_struct_7)<<endl;//12

    cout<<sizeof(test)<<endl;//12

    system("pause");
    return 0;
}