C语言 内存中结构体字节对齐

原文

一、字节对齐作用和原因：

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。

二、字节对齐规则：

四个重要的概念：
　　1．数据类型自身的对齐值：对于char型的数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int，float，double类型，其自身对齐值为4个字节。
　　2．结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。
　　3．指定对齐值：#pragma pack (value)时指定的对齐value。
　　4．数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。

补充：

1).每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度。
 2).复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度。
 3).对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。

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1. #pragma pack(1)  
2. struct test  
3. {  
4. static int a; //static var  
5. double m4;  
6. char m1;  
7. int m3;  
8. }  
9. #pragma pack()  
10. //sizeof(test)=13;  
11.   
12. Class test1{ };  
13. //sizeof(test1)=1;  
14.   
15. /* 注明：  
16. 1、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关；  
17. 2、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。*/  

#pragma pack(1)struct test{static int a; //static vardouble m4;char m1;int m3;}#pragma pack()//sizeof(test)=13;Class test1{ };//sizeof(test1)=1;/* 注明：1、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关；2、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。*/

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1. #pragma pack(1)   
2. struct test  
3. {  
4. static int a; //static var  
5. double m4;  
6. char m1;  
7. int m3;  
8. }  
9. #pragma pack()   
10. //sizeof(test)=13;   
11.   
12. Class test1{ };  
13. //sizeof(test1)=1;   
14.   
15. /* 注明： 
16. 1、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关； 
17. 2、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。*/  

#pragma pack(1)struct test{static int a; //static vardouble m4;char m1;int m3;}#pragma pack()//sizeof(test)=13;Class test1{ };//sizeof(test1)=1;/* 注明：1、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关；2、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。*/

 示例：

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1. //分析下面的例子C：  
2. //  
3. #pragma pack (2)     /*指定按2字节对齐*/  
4. struct C  
5. {  
6. 　　char b;  
7. 　　int a;  
8. 　　short c;  
9. };  
10. #pragma pack () //恢复对齐状态  
11. /*  
12. 第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1 = 0；  
13. 第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续的字节空间中，符合0x0002%2=0。  
14. 第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。  
15. 所以从0x0000到0x0007共八字节存放的是struct C的变量。又struct C的自身对齐值为4，所以struct C的有效对齐值为2。  
16. 又8%2=0，struct C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8。  
17. 如果把上面的#pragma pack(2)改为#pragma pack(4)，那么我们可以得到结构的大小为12。  
18. */  

//分析下面的例子C：//#pragma pack (2)     /*指定按2字节对齐*/struct C{　　char b;　　int a;　　short c;};#pragma pack () //恢复对齐状态/*第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1 = 0；第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续的字节空间中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x0007共八字节存放的是struct C的变量。又struct C的自身对齐值为4，所以struct C的有效对齐值为2。又8%2=0，struct C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8。如果把上面的#pragma pack(2)改为#pragma pack(4)，那么我们可以得到结构的大小为12。*/

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1. //再看下面这个例子  
2. //  
3. #pragma pack(8)  
4. struct S1  
5. {  
6.   char a;  
7.   long b;  
8. };  
9. struct S2 {  
10.   char c;  
11.   struct S1 d;  
12.   long long e;  
13. };  
14. #pragma pack()  
15.   
16. sizeof(S2)结果为24.  
17. /*  
18. S1中:  
19. 成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;  
20. 成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;  
21.   
22. S2 中:  
23. c和S1中的a一样,按1字节对齐,  
24. d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.  
25. 成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e；  
26. 长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.一共使用了24个字节.  
27. a b  
28. S1的内存布局：11**,1111,  
29. c S1.a S1.b d  
30. S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111  
31. */  

//再看下面这个例子//#pragma pack(8)struct S1{  char a;  long b;};struct S2 {  char c;  struct S1 d;  long long e;};#pragma pack()sizeof(S2)结果为24./*S1中:成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;S2 中:c和S1中的a一样,按1字节对齐,d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e；长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.一共使用了24个字节.a bS1的内存布局：11**,1111,c S1.a S1.b dS2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111*/

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1. //再看下面这个例子   
2. //   
3. #pragma pack(8)   
4. struct S1  
5. {  
6.   char a;  
7.   long b;  
8. };  
9. struct S2 {  
10.   char c;  
11.   struct S1 d;  
12.   long long e;  
13. };  
14. #pragma pack()   
15.   
16. sizeof(S2)结果为24.  
17. /* 
18. S1中: 
19. 成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐; 
20. 成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8; 
21.  
22. S2 中: 
23. c和S1中的a一样,按1字节对齐, 
24. d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐. 
25. 成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e； 
26. 长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.一共使用了24个字节. 
27. a b 
28. S1的内存布局：11**,1111, 
29. c S1.a S1.b d 
30. S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111 
31. */  

//再看下面这个例子//#pragma pack(8)struct S1{ char a; long b;};struct S2 { char c; struct S1 d; long long e;};#pragma pack()sizeof(S2)结果为24./*S1中:成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;S2 中:c和S1中的a一样,按1字节对齐,d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e；长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.一共使用了24个字节.a bS1的内存布局：11**,1111,c S1.a S1.b dS2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111*/   

三、针对字节对齐，我们在编程中如何考虑？
　　如果在编程的时候要考虑节约空间的话，那么我们只需要假定结构的首地址是0， 然后各个变量按照上面的原则进行排列即可，基本的原则就是把结构中的变量按照类型大小从小到大声明，尽量减少中间的填补空间。还有一种就是为了以空间换取时间的效率，我们显示的进行填补空间进行对齐，比如：有一种使用空间换时间做法是显式的插入reserved成员：
struct A
{
　　char a;
　　char reserved[3];    //使用空间换时间
　　int b;
};
reserved成员对我们的程序没有什么意义，它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的，当然即使不加这个成员通常编译器也会给我们自动填补对齐，我们自己加上它只是起到显示的提醒作用。

 四、字节对齐可能带来的隐患
　　代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。例如：
　　unsigned int i = 0x12345678;
　　unsigned char *p = NULL;
　　unsigned short *p1 = NULL;
　　p=&i;
　　*p=0x00;
　　p1=(unsigned short*)(p+1);
　　*p1=0x0000;
　　最后两行代码，从奇数边界去访问unsigned short型变量，显然不符合对齐的规定。在X86上，类似的操作只会影响效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一个error，因为它们要求字节必须对齐。

 五、如何查找与字节对齐方面的问题
　　如果出现对齐或者赋值问题首先查看
　　1．编译器设置的对齐值
　　2．看这种体系本身是否支持非对齐访问
　　3．如果支持看设置了对齐与否，如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作。