字节对齐 结构体的sizeof

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。

　　其实字节对齐的细节和具体编译器实现相关，但一般而言，满足三个准则：

　　1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；

　　2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量都是该成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节；例如上面第二个结构体变量的地址空间。//“该”是我加上去的！

　　3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。例如上面第一个结构体变量。

 

 

结构体的sizeof

 

　　这是初学者问得最多的一个问题，所以这里有必要多费点笔墨。让我们先看一个结构体：

　　struct S1
　　{
　　char c;

　　int i;

　　};
　　问sizeof(s1)等于多少聪明的你开始思考了，char占1个字节，int占4个字节，那么加起来就应该是5。是这样吗你在你机器上试过了吗也许你是对的，但很可能你是错的！VC6中按默认设置得到的结果为8。

　　Why为什么受伤的总是我
　　请不要沮丧，我们来好好琢磨一下sizeof的定义——sizeof的结果等于对象或者类型所占的内存字节数，好吧，那就让我们来看看S1的内存分配情况：

　　S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };

　　定义上面的变量后，加上断点，运行程序，观察s1所在的内存，你发现了什么

 

　　以我的VC6.0为例，s1的地址为0x0012FF78，其数据内容如下：

 

　　0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF

 

　　发现了什么怎么中间夹杂了3个字节的CC看看MSDN上的说明：

 

　　When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.

 

　　原来如此，这就是传说中的字节对齐啊！一个重要的话题出现了。

 

　　为什么需要字节对齐计算机组成原理教导我们这样有助于加快计算机的取数速度，否则就得多花指令周期了。为此，编译器默认会对结构体进行处理（实际上其它地方的数据变量也是如此），让宽度为2的基本数据类型（short等）都位于能被2整除的地址上，让宽度为4的基本数据类型（int等）都位于能被4整除的地址上，以此类推。这样，两个数中间就可能需要加入填充字节，所以整个结构体的sizeof值就增长了。

　　让我们交换一下S1中char与int的位置：

　　struct S2
　　{

　　int i;
　　char c;

　　};
　　看看sizeof(S2)的结果为多少，怎么还是8再看看内存，原来成员c后面仍然有3个填充字节，这又是为什么啊别着急，下面总结规律。

　　字节对齐的细节和编译器实现相关，但一般而言，满足三个准则：

 

　　1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；

　　2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；

　　3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。

 

　　对于上面的准则，有几点需要说明：

　　1) 前面不是说结构体成员的地址是其大小的整数倍，怎么又说到偏移量了呢因为有了第1点存在，所以我们就可以只考虑成员的偏移量，这样思考起来简单。想想为什么。

 

　　结构体某个成员相对于结构体首地址的偏移量可以通过宏offsetof()来获得，这个宏也在stddef.h中定义，如下：

　　#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)

 

　　例如，想要获得S2中c的偏移量，方法为

　　size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等于4

　　2) 基本类型是指前面提到的像char、short、int、float、double这样的内置数据类型，这里所说的“数据宽度”就是指其sizeof的大小。由于结构体的成员可以是复合类型，比如另外一个结构体，所以在寻找最宽基本类型成员时，应当包括复合类型成员的子成员，而不是把复合成员看成是一个整体。但在确定复合类型成员的偏移位置时则是将复合类型作为整体看待。

　　这里叙述起来有点拗口，思考起来也有点挠头，还是让我们看看例子吧（具体数值仍以VC6为例，以后不再说明）：

　　struct S3

　　{

　　char c1;

　　S1 s;

　　char c2;

　　};

　　S1的最宽简单成员的类型为int，S3在考虑最宽简单类型成员时是将S1“打散”看的，所以S3的最宽简单类型为int，这样，通过S3定义的变量，其存储空间首地址需要被4整除，整个sizeof(S3)的值也应该被4整除。

　　c1的偏移量为0，s的偏移量呢这时s是一个整体，它作为结构体变量也满足前面三个准则，所以其大小为8，偏移量为4，c1与s之间便需要3个填充字节，而c2与s之间就不需要了，所以c2的偏移量为12，算上c2的大小为13，13是不能被4整除的，这样末尾还得补上3个填充字节。最后得到sizeof(S3)的值为16。

 

　　通过上面的叙述，我们可以得到一个公式：

 

　　结构体的大小等于最后一个成员的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字节数目，即：

 

　　sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

 

　　到这里，朋友们应该对结构体的sizeof有了一个全新的认识，但不要高兴得太早，有一个影响sizeof的重要参量还未被提及，那便是编译器的pack指令。它是用来调整结构体对齐方式的，不同编译器名称和用法略有不同，VC6中通过#pragma pack实现，也可以直接修改/Zp编译开关。#pragma pack的基本用法为：#pragma pack( n )，n为字节对齐数，其取值为1、2、4、8、16，默认是8，如果这个值比结构体成员的sizeof值小，那么

 

　　该成员的偏移量应该以此值为准，即是说，结构体成员的偏移量应该取二者的最小值，

 

　　公式如下：

 

　　offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )

 

　　再看示例：

 

　　#pragma pack(push) // 将当前pack设置压栈保存

 

　　#pragma pack(2) // 必须在结构体定义之前使用

 

　　struct S1

　　{

　　char c;

　　int i;

　　};
　　struct S3

　　{

　　char c1;

　　S1 s;

　　char c2;

　　};
　　#pragma pack(pop) // 恢复先前的pack设置

　　计算sizeof(S1)时，min(2, sizeof(i))的值为2，所以i的偏移量为2，加上sizeof(i)等于6，能够被2整除，所以整个S1的大小为6。

　　同样，对于sizeof(S3)，s的偏移量为2，c2的偏移量为8，加上sizeof(c2)等于9，不能被2整除，添加一个填充字节，所以sizeof(S3)等于10。

　　现在，朋友们可以轻松的出一口气了，:)

　　还有一点要注意，“空结构体”（不含数据成员）的大小不为0，而是1。试想一个“不占空间”的变量如何被取地址、两个不同的“空结构体”变量又如何得以区分呢于是，“空结构体”变量也得被存储，这样编译器也就只能为其分配一个字节的空间用于占位了。如下：

　　struct S5 { };

　　sizeof( S5 ); // 结果为1