016__结构体的尺寸

[ 基本难度系数 ]:★★★☆☆

一、结构体尺寸计算

(1)、CPU字长

字长的概念指的是处理器在一条指令中的数据处理能力，当然这个能力还需要搭配操作系统的设定，比如常见的32位系统、64位系统，指的是在此系统环境下，处理器一次存储处理的数据可以达32位或64位。

CPU字长的含义

(2)、地址对齐

CPU字长确定之后，相当于明确了系统每次存取内存数据时的边界，以32位系统为例，32位意味着CPU每次存取都以4字节为边界，因此每4字节可以认为是CPU存取内存数据的一个单元。

如果存取的数据刚好落在所需单元数之内，那么我们就说这个数据的地址是对齐的，

如果存取的数据跨越了边界，使用了超过所需单元的字节，那么我们就说这个数据的地址是未对齐的。

地址未对齐的情形：

地址已对齐的情形

从图中可以明显看出，数据本身占据了8个字节，在地址未对齐的情况下，CPU需要分3次才能完整地存取完这个数据，但是在地址对齐的情况下，CPU可以分2次就能完整地存取这个数据。

总结：如果一个数据满足以最小单元数存放在内存中，则称它地址是对齐的，否则是未对齐的。地址对齐的含义用大白话说就是1个单元能塞得下的就不用2个；2个单元能塞得下的就不用3个。如果发生数据地址未对齐的情况，有些系统会直接罢工，有些系统则降低性能。

(3)、普通变量的m值

以32位系统为例，由于CPU存取数据总是以4字节为单元，因此对于一个尺寸固定的数据而言，当它的地址满足某个数的整数倍时，就可以保证地址对齐。这个数就被称为变量的m值。

根据具体系统的字长，和数据本身的尺寸，m值是可以很简单计算出来的。

• 举例(32为系统)：

char   c; // 由于c占1个字节，因此c不管放哪里地址都是对齐的，因此m=1
short  s; // 由于s占2个字节，因此s地址只要是偶数就是对齐的，因此m=2
int    i; // 由于i占4个字节，因此只要i地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4
double f; // 由于f占8个字节，因此只要f地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4

printf("%p\n", &c); // &c = 1*N，即：c的地址一定满足1的整数倍
printf("%p\n", &s); // &s = 2*N，即：s的地址一定满足2的整数倍
printf("%p\n", &i); // &i = 4*N，即：i的地址一定满足4的整数倍
printf("%p\n", &f); // &f = 4*N，即：f的地址一定满足4的整数倍

• 注意，变量的m值跟变量本身的尺寸有关，但它们是两个不同的概念。

• 手工干预变量的m值：

char c __attribute__((aligned(32))); // 将变量 c 的m值设置为32位(4个地址)

• 语法：
  • attribute 机制是GNU特定语法，属于C语言标准语法的扩展。
  • attribute 前后都是双下划线，aligned两边是双圆括号。
  • attribute 语句，出现在变量定义语句中的分号前面，变量标识符后面。
  • attribute 机制支持多种属性设置，其中 aligned 用来设置变量的 m 值属性。
  • 一个变量的 m 值只能提升，不能降低，且只能为正的2的n次幂。

(4)、结构体的M值

• 概念：
  • 结构体的M值，取决于其成员的m值的最大值。即：M = max{m1, m2, m3, …};
  • 结构体的地址和尺寸，都必须等于M值的整数倍。
• 示例：