struct和union占用内存详解

一、struct与union占用内存

1.1 struct内存对齐

1.1.1 问题引入

代码如下：

#include <iostream>using namespace std;struct Test_A{    char x;    char y;    int z;};struct Test_B{    char x;    int z;    char y;};struct Test_C{    int z;    char x;    char y;};int main(){    struct Test_A a;    memset(&a, 0, sizeof(a));    struct Test_B b;    memset(&b, 0, sizeof(b));    struct Test_C c;    memset(&c, 0, sizeof(c));    // Print the memory size of the struct    cout << sizeof(a) << endl;  // 8 Bytes    cout << sizeof(b) << endl;  // 12 Bytes    cout << sizeof(c) << endl;  // 8 Bytes    return 0;}

上述代码输出结果为：
sizeof(a) = 8 Bytes;
sizeof(b) = 12 Bytes;
sizeof(c) = 8 Bytes.
为什么只是改变了结构体中的成员顺序，结果就不一样了？因为编译器的内存对齐机制。

1.1.2 内存对齐

1. 内存对齐问题存在于：

理解struct和union等复合结构在内存中的分布。

2. 内存对齐的目的：

• 平台原因(移植原因)：
  不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
• 提高内存访问效率。
  CPU在访问内存时是按块读取的。块的大小称为memory access granularity（内存存取粒度）。访问已对齐的内存只需1个指令周期；而访问未对齐的内存需2个指令周期，可能需要额外的数据选取、剔除操作，大大降低了效率。
  常见编译器的内存存取粒度如下表，在windows(32)/VC6.0下，n的取值可以为1、2、4、8，默认情况下为8。在linux(32)/GCC下，n的取值只能为1、2、4，默认情况下为4：
  

3. 内存对齐的定义：

计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，要求这些数据的首地址是内存存取粒度n（通常为4或8）的倍数，这就是所谓的内存对齐。内存对齐是编译器做的事情。这个值n在不同的CPU平台下、不同的编译器下表现也有所不同。可通过预编译命令`#pragma pack(n)`,n = 1,2,4,8,16.来进行修改。 

4. 内存对齐的规则：

• 第一条：第1个数据成员置于offset为0的位置，每个数据类型的偏移量必须是min(#pragma pack(n)中的n, 数据自身占用的字节数)的倍数；
• 第二条：数据成员对齐（局部对齐）后，结构体（联合体）还需进行整体对齐，对齐将按照min(#pragma pack(n)中的n, 数据成员中的最大长度)进行，即结构体（联合体）占用内存应为上述min的倍数。

5. 实例演示：

#include <iostream>using namespace std;# pragma pack(1)    // 设置对齐系数分别为1、2、4、8、16struct Test{    char x1;        // 1 Byte    double x2;      // 8 Bytes    short x3;       // 2 Bytes    float x4;       // 4 Bytes    char x5;        // 1 Byte};int main(){    Test test;    cout << sizeof(test) << endl;    return 0;}

代码输出结果为：
n = 1时，输出16 Bytes；
n = 2时，输出18 Bytes；
n = 4时，输出24 Bytes；
n = 8时，输出32 Bytes；
n = 16时，输出32 Bytes。
分析如下：
注意：按n对齐的意思是，占用地址的偏移量为n的倍数。
n = 1时，首先使用规则1进行局部对齐：
x1，1 ≤ 1，按1对齐，占用0；
x2，8 ＞ 1，按1对齐，占用1,2,3,4,5,6,7,8；
x3，2 ＞ 1，按1对齐，占用9,10；
x4，4 ＞ 1，按1对齐，占用11,12,13,14；
x5，1 ≤ 1，按1对齐，占用15；
最后使用规则2进行整体对齐：
x2占用的内存最大，为8 Bytes，8 > 1，整体按照1对齐，16 % 1 = 0。所以在n = 1 时，struct Test占用16 Bytes。如下图：

n = 2时，首先使用规则1进行局部对齐：
x1，1 ≤ 2，按1对齐，占用0；
x2，8 ＞ 2，按2对齐，占用2,3,4,5,6,7,8,9；
x3，2 ≤ 2，按2对齐，占用10,11；
x4，4 ＞ 2，按2对齐，占用,12,13,14,15；
x5，1 ≤ 2，按1对齐，占用16；
最后使用规则2进行整体对齐：
x2占用的内存最大，为8 Bytes，8 > 2，整体按照2对齐，17 % 2 ！= 0，补齐到18 Bytes。所以在n = 2 时，struct Test占用18 Bytes。如下图：

n = 4时，首先使用规则1进行局部对齐：
x1，1 ≤ 4，按1对齐，占用0；
x2，8 ＞ 4，按4对齐，占用4,5,6,7,8,9,10,11；
x3，2 ≤ 4，按2对齐，占用12,13；
x4，4 ≤ 4，按4对齐，占用16,17,18,19；
x5，1 ≤ 4，按1对齐，占用20；
最后使用规则2进行整体对齐：
x2占用的内存最大，为8 Bytes，8 > 4，整体按照4对齐，21 % 4 ！= 0，补齐到24字节。所以在n = 4 时，struct Test占用24 Bytes。如下图：

n = 8时，首先使用规则1进行局部对齐：
x1，1 ≤ 8，按1对齐，占用0；
x2，8 ≤ 8，按8对齐，占用8,9,10,11,12,13,14,15；
x3，2 ≤ 8，按2对齐，占用16,17；
x4，4 ≤ 8，按4对齐，占用20,21,22,23；
x5，1 ≤ 8，按1对齐，占用24；
最后使用规则2进行整体对齐：
x2占用的内存最大，为8 Bytes，8 ≤ 8，整体按照8对齐，25 % 8 ！= 0，补齐到32字节。所以在n = 8 时，struct Test占用32 Bytes。如下图：

n = 16时，首先使用规则1进行局部对齐：
x1，1 ≤ 16，按1对齐，占用0；
x2，8 ≤ 16，按8对齐，占用8,9,10,11,12,13,14,15；
x3，2 ≤ 16，按2对齐，占用16,17；
x4，4 ≤ 16，按4对齐，占用20,21,22,23；
x5，1 ≤ 16，按1对齐，占用24；
最后使用规则2进行整体对齐：
x2占用的内存最大，为8 Bytes，8 ≤ 16，整体按照8对齐，25 % 16 ！= 0，补齐到32字节。所以在n = 16 时，struct Test占用32 Bytes。如下图：

1.2 Union内存对齐

1.2.1 什么是union

翻译为共用体或者联合体。union的成员变量都是在同一地址存放的，即使用覆盖技术，使成员变量相互覆盖，共同占用同一段内存。
union具有以下特点：

• 同一个内存段可以用来存放多种不同类型的成员，但是同一时刻只有一个成员起作用；
• union中起作用的是最后一个存放的成员，在存入一个新成员后，原有的变量就会失去作用；
• union中所有成员的起始地址相同。

1.2.2 实例

定义如下的union：

#include <iostream>using namespace std;union test{     char mark;     long num;     float score;}a;int main(){     // cout<<a<<endl; // wrong     a.mark = 'b';     cout<<a.mark<<endl; // 输出'b'     cout<<a.num<<endl; // 98 字符'b'的ACSII值     cout<<a.score<<endl; // 输出错误值     a.num = 10;     cout<<a.mark<<endl; // 输出换行（'\n'的ASCII值为10）     cout<<a.num<<endl; // 输出10     cout<<a.score<<endl; // 输出错误值     a.score = 10.0;     cout<<a.mark<<endl; // 输出空     cout<<a.num<<endl; // 输出错误值     cout<<a.score<<endl; // 输出10     return 0;}

1.2.3 占用内存

在32位机器上，sizeof(union test)结果为4。其内存结构示意图如下：

对于union所占用的内存大小，需要考虑内存对齐的问题，但是大体来说，union变量所占用的内存长度等于最长的成员的内存长度。
与之对比，大体上来说，结构体struct所占用的内存为各个成员的占用的内存之和（当然也需要考虑内存对齐的问题了）。定义以下结构体struct test2：

struct test2{     char mark;     long num;     float score;}b;

其内存结构如下：

二、参考内容：

[1] C、C++内存对齐
http://www.jellythink.com/archives/413
[2] C、C++中union用法总结
http://www.jellythink.com/archives/468
[3] 内存对齐的规则以及作用
http://www.cppblog.com/snailcong/archive/2009/03/16/76705.html