C语言结构体 —— sizeof(struct)

     这个内容也是很重要的一个，所以，这里对一些问题和规律做一个总结。

涉及到的几个概念：

内存对齐：

     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。 

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，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。

对齐的实现：

     通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为编辑器对数据存放做了对齐，而我们不了解的话，常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。

对齐的算法

     由于各个平台和编译器的不同，本人使用的gcc version 4.3.2编译器（32位x86平台）为例子，来讨论编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐的。这个平台是偶地址开始读取的。

假设结构体定义如下：

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

结构体SA中包含了一个4Byte长度的int，一个1Byte长度的char，一个2Byte长度的short。那么SA用到的空间应该是7Byte，但是，sizeof(SA)结果却是8。这是因为编译器在对数据成员在空间上进行对齐了。

下面调整一下SA的成员顺序：

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

按照我们之前的分析，SB的空间大小也应该是7Byte，但是，sizeof(SB)的结果却为12。

只是顺序稍微进行了调整，但是结果却相差很大，这是为什么呢？ 因为编译器做了手脚。
接下来，我们利用预编译指令#pragma pack (value)来让编译器使用我们自己指定的对齐值取代缺省值，按照我们自己的想法来做事。

#pragma pack (1) /* 指定按1Byte对齐 */struct SC{     char b;     int a;     short c;};#pragma pack () /* 取消指定对齐，恢复缺省对齐 */

接下来，我们利用预编译指令#pragma pack (value)来让编译器使用我们自己指定的对齐值取代缺省值，按照我们自己的想法来做事。

此时sizeof(SC)的结果为：7。

再进行一次测试：

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

此时sizeof(SD)的结果为：8。

其实，这里有几个概念值：

1.数据类型自身的对齐值 ：基本数据类型的自身对齐值：对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float类型，其自身对齐值为4单位字节，double型为8。
2.指定对齐值：#progma 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小的那个值。

其中，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。

（1）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".

（2）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。

（3）结构体的成员变量要对齐排放，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。这样就不能理解上面的几个例子的值了。

例子分析：

对于结构体SB

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

假设SB从地址0x0000处开始排放，此时没有指定对齐值，本人的是默认是4。

第一个成员变量b，其自身的对齐值为1，指定或默认的为4，取较小者，则b的有效对齐值为1。所以其存放地址0x0000符合 0x0000%1=0；

第二个成员变量a，其自身的对齐值为4，指定或默认的为4，则a的有效对齐值为4，所以a只能存放在0x0004-0x0007这连续的4个字节空间中，符合0x0004%4=0且紧靠第一个变量。

第三个成员变量c，其自身的对齐值为2，所以c的有效对齐值为2。可以存放在0x0008-0x0009这两个连续的字节空间中，符合0x0008%2=0；所以，0x0000-0x0009存放的是结构体SB的内容。

再看数据结构SB自身对齐值（其成员中自身对齐值最大的那个值）这里是a，所以SB自身的有效对齐值为4。根据结构体圆整，由于0x0000-0x0009有10个字节，而(10+2)%4=0，所以0x000A-0x000B也被结构体SB占用。故B从0x0000到0x000B共有12个字节,sizeof(SB)=12;

同理，对于结构体SC：

#pragma pack (1) /* 指定按1Byte对齐 */struct SC{     char b;     int a;     short c;};#pragma pack () /* 取消指定对齐，恢复缺省对齐 */

由于我们自己指定了有效值，所以，每个的有效值都是1。假设SC从0x0000开始存放，那么，变量b、a、c的地址依次为：0x0000、0x0001-0x0004、0x0005-0x0006. 总共有7byte。sizeof(SC)=7.

对于结构体SD：

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

假设SD从地址0x0000处开始排放，此时自己指定对齐值是4。

第一个成员变量b，其自身的对齐值为1，指定的对齐值为2，取较小者，则b的有效对齐值为1。所以其存放地址0x0000符合 0x0000%1=0；

第二个成员变量a，其自身的对齐值为4，指定的对齐值为2，则a的有效对齐值为2，所以a只能存放在0x0002-0x0005这连续的4个字节空间中，符合0x0002%2=0且紧靠第一个变量。

第三个成员变量c，其自身的对齐值为2，指定的对齐值为2，所以c的有效对齐值为2。可以存放在0x0006-0x0007这两个连续的字节空间中，符合0x0006%2=0；所以，0x0000-0x0007存放的是结构体SB的内容。

再看数据结构SB自身对齐值（其成员中自身对齐值最大的那个值）这里是a，所以SB自身的有效对齐值为4。根据结构体圆整，由于0x0000-0x0007有8个字节，而结构体SD自身的对齐值为4，所以SC的有效对齐值为2，而8%2=0。故B从0x0000到0x0007共有8个字节,sizeof(SD)=12;

从上面的分析可以总结出下面规律：

1）结构体中的每个变量自身对齐值与指定或默认的对齐值进行比较，取两者较小者作为该成员变量的“有效对齐值”；

2）然后根据 (地址 % N)=0 确定各个成员变量的存储地址（其中N为有效对齐值）；

3）确定各个成员变量的存储地址后，在看结构体自身对齐值——其成员中自身对齐值最大的那个值，同样取两者较小者作为该结构体的“有效对齐值”；再根据 结构体圆整 求得该结构体总共占用了多少字节的空间大小。

正在向嵌入式进军，大家互相交流，共同进步！！！