C语言结构体字节对齐问题

1 前言

对于结构体字节对齐问题，我发现我一直有一个误区，正是这个误区，给我带来了很大困扰，今天突然顿悟，在此记录一下，希望能帮到大家。

2 举例

#include <stdio.h>
#define field_offset(s,f) (int)(&(((struct s *)0)->f))
struct AD  { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(push)
#pragma pack(1)
struct A1  { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(2)
struct A2  { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(4)
struct A4  { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(8)
struct A8  { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(16)
struct A16 { int a; char b[13]; double c;};
#pragma pack(pop)
int main()
{
    printf("AD.a %d\n",field_offset(AD,a));//AD.a 0
    printf("AD.b %d\n",field_offset(AD,b));//AD.b 4
    printf("AD.c %d\n",field_offset(AD,c));//AD.c 24
    printf("AD sizeof %d\n", sizeof(AD));//AD sizeof 32
    printf("\n");
    printf("A1.a %d\n",field_offset(A1,a));//A1.a 0
    printf("A1.b %d\n",field_offset(A1,b));//A1.b 4
    printf("A1.c %d\n",field_offset(A1,c));//A1.c 17
    printf("A1 sizeof %d\n", sizeof(A1));//A1 sizeof 25
    printf("\n");
    printf("A2.a %d\n",field_offset(A2,a));//A2.a 0
    printf("A2.b %d\n",field_offset(A2,b));//A2.b 4
    printf("A2.c %d\n",field_offset(A2,c));//A2.c 18
    printf("A2 sizeof %d\n", sizeof(A2));//A2 sizeof 26
    printf("\n");
    printf("A4.a %d\n",field_offset(A4,a));//A4.a 0
    printf("A4.b %d\n",field_offset(A4,b));//A4.b 4
    printf("A4.c %d\n",field_offset(A4,c));//A4.c 20
    printf("A4 sizeof %d\n", sizeof(A4));//A4 sizeof 28
    printf("\n");
    printf("A8.a %d\n",field_offset(A8,a));//A8.a 0
    printf("A8.b %d\n",field_offset(A8,b));//A8.b 4
    printf("A8.c %d\n",field_offset(A8,c));//A8.c 24
    printf("A8 sizeof %d\n", sizeof(A8));//A8 sizeof 32
    printf("\n");
    printf("A16.a %d\n",field_offset(A16,a));//A16.a 0
    printf("A16.b %d\n",field_offset(A16,b));//A16.b 4
    printf("A16.c %d\n",field_offset(A16,c));//A16.c 24
    printf("A16 sizeof %d\n", sizeof(A16));//A16 sizeof 32
    printf("\n");
    return 0;
}

如果你认为的结果和上面注释中的一样，那你就没有必要读下去了。

在上面的例子中，对于A1,A2, A4的结果我都理解，但是对AD,A8,A16我很不理解。
对于AD，我认为结果应该是：

AD.a 0
AD.b 8
AD.c 24
AD sizeof 32

我是这样想的：AD应该是8字节对齐的，a是4字节，b占13字节，a后面虽然空了4个字节，但是放不下b，所以应该是a后面补4个字节，接着放b。b13个字节，不是8的倍数，所以b后面补3个字节。接着c占8个字节。

当然，我上面的想法是错误的。可是为什么会错呢？

其实，问题出在b的身上。b是一个char型的数组，即类型为char *，但是我们访问的是b的元素，即char，所以，b的自身对齐值为1，而不是13。

之所以这里出错，实际上是因为没有深刻认识到为什么要字节对齐。字节对齐是为了提高CPU访问数据的效率。32位字长的计算机，其CPU一次可以读写的数据长度是4个字节64位计算机则一次可以读取8个字节。对于char型数组，只占据一个字节，小于计算机一次读取的字节数，所以无论其元素放在什么地址，都可以一次读取到，便“不需要”字节对齐。所以，b的元素是可以紧挨着a来放的，所以AD实际空间存放情况应如下图所示：

AD成员中自身对齐值最大的为8， 所以AD的自身对齐值是8；A8的指定对齐值和自身对齐值一样，相当于没指定，还是8字节对齐；A16指定对齐值16大于自身对齐值8，所以还是8字节对齐。所以AD,A8,A16的结果是一样的。

3.其他

这是一个C++程序：

#define field_offset(s,f) (int)(&(((struct s *)0)->f))
int main() {
    struct alignas(4) Info {
        char a;
        short b;
        char c;
    };
    std::cout << sizeof(Info) << std::endl;
    std::cout << field_offset(Info, a) << std::endl;
    std::cout << field_offset(Info, b) << std::endl;
    std::cout << field_offset(Info, c) << std::endl;

    return 0;
}

刚开始我以为应该是下面这样的：

所以sizeof(Info) = 4。

但运行结果为：

8
0
2
4

可以推断出，Info的实际存储情况应该为：

针对此，我有2个问题：

1. C++11标准中，alignas不是最小设置8字节对齐，也就最小是alignas(8)，否则设置无效吗？为什么还会出现上面的结果呢？
2. 如果alignas(4)设置生效，根据第二节的例子中提到的：结构体的有效对齐值是自身对齐值和指定对齐值中较小者。那么实际存储情况像下面这样（sizeof(Info)= 6）啊：
   
   是因为C和C++标准不一样吗？

后续：经过验证，我得到了答案。

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参考链接：

• 为什么要字节对齐：
• 结构体字节对齐例子
• 字节对齐基本概念和准则
• 结构体元素偏移量计算