关于 Union,Struct and Class的大小计算问题的思考(转)&union和struct类型的大小计算(转)

关于 Union,Struct and Class的大小计算问题的思考(转)&union和struct类型的大小计算(转)

 

在最近的项目中，我们涉及到了“内存对齐”技术。对于大部分程序员来说，“内存对齐”对他们来说都应该是“透明的”。“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。但是C语言的一个特点就是太灵活，太强大，它允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再透明了。

   一、内存对齐的原因
大部分的参考资料都是如是说的：
1、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。
2、性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

    二、对齐规则
每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragmapack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

规则：
1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragmapack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragmapack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。
3、结合1、2颗推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

    三、试验
我们通过一系列例子的详细说明来证明这个规则吧!
我试验用的编译器包括GCC 3.4.2和VC6.0的C编译器，平台为Windows XP + Sp2。

我们将用典型的struct对齐来说明。首先我们定义一个struct：
#pragma pack(n)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack(n)
首先我们首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为：
sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4

我们的试验过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后察看sizeof(structtest_t)的值。

1、1字节对齐(#pragma pack(1))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack()
成员总大小=8

2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 8 [注1]

2、2字节对齐(#pragma pack(2))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack()
成员总大小=9

2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 10

3、4字节对齐(#pragma pack(4))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack()
成员总大小=9

2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12

4、8字节对齐(#pragma pack(8))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack()
成员总大小=9

2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12


5、16字节对齐(#pragma pack(16))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack()
成员总大小=9

2) 整体对齐
整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 16) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12

    四、结论
8字节和16字节对齐试验证明了“规则”的第3点：“当#pragmapack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果”。另外内存对齐是个很复杂的东西，上面所说的在有些时候也可能不正确。呵呵^_^ 

 

五、类的sizeof大小一般是类中的所有成员的sizeof大小之和，这个就不用多说。 不过有两点需要注意：

1）当类中含有虚成员函数的时候，例如：
class B
{
float a;
public:
virtual void fun(void);
}
此时sizeof(B)的大小为8，而不是4。因为在类中隐藏了一个指针，该指针指向虚函数表，正因为如此，
使得C++能够支持多态，即在运行时绑定函数的地址。

2）另一个要注意的是，当类中没有任何成员变量，也没有虚函数的时候，该类的大小是多少呢？
例如：
class B2
{
void fun(void);
}
此时sizeof(B2)的值是多少呢？在C++早期的编译器中，这个值为0；然而当创建这样的对象时，
它们与紧接着它们后面的对象有相同的地址。比如：
B2 b2;
int a;
那么对象b2与变量a有相同的地址，这样的话对对象b2地址的操作就会影响变量a。所以在现在大多数编译器中，该值的大小为1。


   如果有虚函数，则sizeof值为类的数据成员的大小加上VTBL（指针，4字节），再加上其基类的数据成员的大小。如果是多重继承，还得加上各基类的VTBL。 


   [sammy的思考1]什么是“圆整”？
   举例说明：如上面的8字节对齐中的“整体对齐”，整体大小=9 按 4 圆整 = 12圆整的过程：从9开始每次加一，看是否能被4整除，这里9，10，11均不能被4整除，到12时可以，则圆整结束。

[sammy的思考2]

sammy在调试中发现Union和Struct的计算方法有所不同，除了上述的对齐等规则以外，Union是计算其中最大的字节数，而Struct是相加。如

Union U1
    {
        Char a[9];
        Int b;
    };

sizeof(U1)=12

而结构体：

Struct S1
    {
        Char a[9];
        Int b;
    };

sizeof(S1)=16

  [sammy的思考2]

  对于有多个虚函数的类，其大小也只要多计算一个指针的字节数。因为该指针指向虚函数表，只是一个入口指针，而并不是计算所有虚函数的首地址指针。

 

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union和struct类型的大小计算(转)

union和struct类型的大小计算:

对于union，对齐的大小是最大的基本元素的对齐大小，对象的大小必须是该基本元素大小的整数倍。
如:
Union U1
{
Char a[9];
Int
b;
};
对齐为4字节对齐，大小为大于9并且为4的倍数，为12。
若其中的int b改为double，则对齐为8，大小为16。

复杂一点的情况:
Union U2
{
U1 a;
Double b;
};
对齐是double的大小，为8，大小应当为是16。

对于stuct，对齐的大小也是最大的基本元素的对齐的大小，对象的大小需要考虑元素的对齐，并且需要是最大基本元素的整数倍。

Struct S1
{
Char a[13];
Double c;
};
对齐大小为8，大小为24。

Struct S2
{
S1 a;
U1 b;
};
S1对齐大小为8，U1对齐大小为4,因此S2的对齐大小8，体积大小为大于24+12且要为8的倍数，结果为40。


这里所说的union和struct的对齐，是指其作为其他复杂对象中的元素的时候要求的对齐，对于本身大小的计算并没有关系。本身的大小只和其所包含的基本元素的对齐有关系。


struct的大小和内部元素的排列是有很大关系的，因此在使用struct的时候，安排好元素的位置，可以减少结构体的大小。
如:
Struct S3
{

char b;

int
c;

char d[13];
};
根据之前的原则，因为c需要4字节对齐，因此b之后会有3字节空余。所以1+3(空余)+4+13=21，要求为4的倍数，则为24。
若更改为
Struct S4
{
Char b;
Char d[13];
Int c;
}
则c之前会空余2字节，所以1+13+2+4=20，并且已经为4的倍数，所以大小就是20。


关于#pragma_pack()，该标示用于重新指定对齐的大小，当元素的对齐大于指定的对齐大小的时候，会采用指定的大小，若小于，则指定的对齐大小不会产生效果。
如:
Union U3
{
Char a[9];
Double b;
};
该union的对齐为8，大小为16(大于9且为8的倍数)。
若加上
#pragma_pack(4)
则对于U3中的基本元素b,其对齐由原来的8变为4，而a的对齐仍然是1，则U3的对齐为4，大小为12。
当然U3的对齐也由8变成了4。