c语言中结构体对齐详解

为什么要对齐?

    现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特 定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

    对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问 一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对 数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那 么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数 据。显然在读取效率上下降很多。

C语言结构体对齐也是老生常谈的话题了。基本上是面试题的必考题。结构体到底怎样对齐？下面总结了对齐原则，在没有#pragma pack宏的情况下：

原则1、

普通数据成员对齐规则：第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int在32位机为４字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

原则2、

结构体成员对齐规则：如果一个结构里有某些结构体成员，则该结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储。）

原则3、

结构体大小对齐规则：结构体大小也就是sizeof的结果，必须是其内部成员中最大的对齐参数的整数倍，不足的要补齐。

补充一点，如果数组作为结构体成员，比如：char a[3]。它的对齐方式和分别写3个char是一样的，也就是说它还是按1个字节对齐。如果写： typedef char Array3[3]；Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐，而不是按它的长度3对齐。如果共用体作为结构体成员，则该共用体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。

还有一种对齐原则，和上面三条一致，可以参考着理解。

成员对齐有一个重要的条件，即每个成员按自己的方式对齐。其对齐的规则是，每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里默认是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

这三个原则具体怎样理解呢？我们看下面几个例子，通过实例来加深理解。

例1：struct {
              short a1;
              short a2;
              short a3;
       }A;

       struct{
              long a1;
              short a2;
      }B;

sizeof(A) = 6; 这个很好理解，三个short都为2。

sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节？long为4，short为2，整个为8，因为原则3。

例2：struct A{
               int a;
               char b;
               short c;
        };

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

sizeof(A) = 8; int为4，char为1，short为2，这里用到了原则1和原则3。

sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围？char为1，int为4，short为2，怎么会是12？还是原则1和原则3。

深究一下，为什么是这样，我们可以看看内存里的布局情况。

                    a        b   c
A的内存布局：1111, 1*,11

                    b       a       c
B的内存布局：1***,1111,11**

其中星号*表示填充的字节。A中，b后面为何要补充一个字节？因为c为short，其起始位置要为2的倍数，就是原则1。c的后面没有补充，因为b和c正好占用4个字节，整个A占用空间为4的倍数，也就是最大成员int类型的倍数，所以不用补充。B中，b是char为1，b后面补充了3个字节，因为a是int为4，根据原则1，起始位置要为4的倍数，所以b后面要补充3个字节。c后面补充两个字节，根据原则3，整个B占用空间要为4的倍数，c后面不补充，整个B的空间为10，不符，所以要补充2个字节。

再看一个结构中含有结构成员的例子：

例3：struct A{
               int a;
               double b;
               float c;
       };

       struct B{
              char e[2];
              int f;
              double g;  
              short h;
              struct A i;
       };

sizeof(A) = 24; 这个比较好理解，int为4，double为8，float为4，总长为8的倍数，补齐，所以整个A为24。

sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                    e         f       g                h                      i 
B的内存布局：11* *,1111,11111111, 11 * * * * * *,1111* * * *, 11111111, 1111 * * * * 。 i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数，所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚，有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

以上讲的都是没有#pragma pack宏的情况，如果有#pragma pack宏，对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragma pack(1)，内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;有了#pragma pack(1)，内存不会再遵循原则1和原则3了，按1字节对齐。没错，这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

                    a       b               c
A的内存布局：1111,11111111,1111

                    e    f       g               h   i 
B的内存布局：11,1111,11111111,11,1111, 11111111, 1111 

 那#pragma pack(2)的结果又是多少呢？#pragma pack(4)呢？留给大家自己思考吧，相信没有问题。

 还有一种常见的情况，结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为： 
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止； 
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍； 
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式； 
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩； 
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

还是让我们来看看例子。

例4：struct A{ 
               char f1 : 3; 
               char f2 : 4; 
               char f3 : 5; 
       };

                    a      b          c
A的内存布局：111,1111 *,11111 * * *

位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

例5：struct B{ 
               char f1 : 3; 
               short f2 : 4; 
               char f3 : 5; 
       };

由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C++中为2。

例6：struct C{ 
               char f1 : 3; 
               char f2; 
               char f3 : 5; 
       };

非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

在文章结尾我总结一下就是这个对齐就得看你的编译平台，一般我们的是32位操作系统，我读取字节周期大小是4，就是一个int 我们读取一个变量就必须是一个int型的，如果没就凑足4个字节来读取。举例如下：

#include<stdio.h>
#ifdef TRUE /* 宏开关，定义这个宏表示强制对齐 */
#pragma pack(push) 
#pragma pack(1)   
#endif

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { /* bmfh */
        unsigned short bfType; /* 不加宏，一个周期去取4，如果下一个变量还是short得话就可以两个short一起组成一个int型的变量来读取。*/
        unsigned long  bfSize; /* 取4 */
        unsigned short bfReserved1; /* 1 2 两行一起取4*/
        unsigned short bfReserved2;
        unsigned short bfReserved3; /* 3 4 两行一起取4 */
        unsigned short bfReserved4;

unsigned short bfReserved5; /* 单独取4 */
        unsigned long  bfOffBits; /* 取4 */
} BITMAPFILEHEADER;

#ifdef TRUE /* 宏开关，在定义结构体前后都得添加pragma
pack()入栈，出栈 */

#pragma pack(pop) 
#endif

void main()
{
printf("%d\n",sizeof(BITMAPINFOHEADER)); /* 打印结果是24，加上TRUE这个宏则打印 20*/
}