C++中struct/class的数据对齐与sizeof

一、什么是对齐，以及为什么要对齐
1. 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变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各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。

2. 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。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的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）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，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要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int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

二、对齐的实现

这里面有四个概念值：
1)数据类型自身的对齐值：就是基本数据类型的自身对齐值，即该数据类型的字节大小。

2)指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。

3)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对齐值。

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较小的那个值。

          有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。这里又包含两个概念：

1.结构体的成员变量要对齐排放。

2.结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整 数倍)。

三、例子分析

分析例子B；

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

      假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4(VS默认为8)。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指 定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为 4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐 值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存 放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求， 0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12;

分析例子C：

#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/struct C {    char b;    int a;    short c;};#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

       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 字节中，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，顺序存放在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以 C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

四、空结构体

    

struct S5 { };  sizeof( S5 ); // 结果为1

       “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。

五、有static变量的结构体

struct S4{     char a;     long b;     static long c; //静态 }; 

       静态变量存放在全局数据区内，而sizeof计算栈中分配的空间的大小，故不计算在内，S4的大小为4+4=8。

六、 含有结构体的结构体

    含有结构体的结构体中，对于其结构体成员，他的自身对齐值不是sizeof()该结构体所得到的大小，而是该结构体成员的有效对齐值。举例如下：

struct test2 　　{ char a; 　　 int b; 　　 double c; 　　 bool d; 　　};

struct test3 {  char a;  test2 bb; int cc; }

    在test3中，test2的自身对齐值为test2的有效对齐值，即8。故sizeof(test3) = 1 + 7 + 24 + 4 + 4 = 40，注意这里test3的有效对齐值也为8。

七、union

       union的存储空间先看它的成员中哪个占的空间最大,拿他与其他成员的元长度比较,如果可以整除就行。

 union   mm{      char   a;//元长度1      int   b[5];//元长度4      double   c;//元长度8      int   d[3];      };   

sizeof(mm)的值为24。

八.指定对齐方式

 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。 
·使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

九.class的sizeof大小讨论

     在C++中，由于class与struct除了默认访问权限等一些具体细节相异之外，其余行为均相同，所以文中上面所讨论的关于strcut数据长度的内容，对于class型数据都适用。

     1.普通成员函数/静态成员函数对class/struct的影响    

       类的普通成员函数和静态成员函数都不会对类的实例化对象大小有影响，即在一个对象中没有任何附加变量去表示它们，故而类的普通成员函数和静态成员函数对sizeof结果没有任何影响。

       普通成员函数是在编译期对象通过this指针与类关联的，而静态成员函数则相当于有类名做访问限制的全局函数。

   2.虚函数对class/struct的影响  

    类中含有虚函数时，将由于虚函数表的存在，而在实例化对象中增加一个指向虚函数表的指针，所以含有虚函数的类，不论该类中有多少个虚函数，它的实例化对象中大小均增加4,即那个虚表指针的大小。

   3.派生类的内存排列情况

   派生类中的内存排布情况将分为以下几种不同的情况：

     1.）基类与派生类均不含虚函数

     派生类的对象中除了继承过来的基类成员变量与自己的类成员变量之外，不会增加任何额外数据类型，即派生类的大小是本身成员变量的大小加上父类的大小。

       2.）基类含虚函数,派生类不含虚函数

     派生类对象将把基类虚表指针一起继承过来，故在派生类成员中除了自身成员变量和基类成员变量外，还有一个虚表指针。

       3.）基类不含需函数，派生类含虚函数

     由于派生类有虚函数，所以它也有虚表，因而也就产生了一个虚表指针，所以除了正常的成员外，还有一个新加入的4字节大小的虚表指针。

       4.）基类与派生类均含虚函数       

    在次情况下，派生类对象首先有一个从其基类中继承过来的虚表指针，而它自身有新的虚函数，所以它也需要建立虚表，但是在这里它将它自己的虚函数表添加至其基类的虚函数表中去，所以它最终只含有一个虚表，故而在对象中也只有一个需表指针。

     在将虚函数表指针加入到class中时，该指针的内存分布仍需要遵守数据对其原则，即将其排布与4的整数倍内存上开始存储，但是由于它与基类的成员按什么顺序排布不清楚(由编译器决定的行为)，所以情况不能确定。

    特别的，当继承为多重继承时，若多个基类都含有虚函数，则在派生类中除了继承正常的各个基类数据成员外，还包含多个虚表指针，指向多个虚表，而派生类如果自身也有虚函数，则将该虚函数地址写入它所包含的第一个虚表指针所指向的虚表中。

  4.虚继承

   当使用virtual关键字进行虚继承时，派生类同时还会增加一个4字节大小的虚基类偏移量表指针。