sizeof(union) 、sizeof(struct) 和内存对齐技术

公式　整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 设置的机器默认对齐字节) = 2

一，union：C/C++关键字  共用体（联合）

       共用体的声明和共用体变量定义与结构十分相似。形式为：

 

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1. union 共用体名  
2. { 　　  
3.     数据类型 成员名; 　　  
4.     数据类型 成员名; 　　  
5.     ... 　　  
6. } 变量名;   

       共用体表示几个变量共用一个内存位置，在不同的时间保存不同的数据类型和不同长度的变量.在union中，所有的共用体成员共用一个空间，并且同一时间只能储存其中一个成员变量的值。当一个共用体被声明时, 编译程序自动地产生一个变量, 其长度为联合中最大的变量长度的整数倍（特别注意数组）

例子一：

 

union foo{

　　int i;

　　char c;

　　double k;

　　};

sizeof(foo);   //double最长占用8字节，所以union foo大小为8字节

 

例子二：　

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1. union A    
2. {  
3.     int a[5];       //20  
4.     short b;     //2  
5.     double c;    //8  
6.     char p2;     //1  
7. };  
8.   
9. struct B {   
10.     int n; // 4字节   
11.     A a; // 24字节   
12.     char c[10]; // 10字节   
13. };  

 

 

      sizeof(A) ;  //24     而不是20     ???

      sizeof(B) ;  //48     而不是？？？

      对齐： 分配内存时，每个成员放在长度倍数位置，如果不够，补位对齐

      补齐： 对整个结构变量的空间要求总长度一定是最长的成员的倍数，不够补齐不管是对齐还是补齐，最长的成员长度超过4时，以4计。

 

      A实际占用内存大小为 20字节，但是要跟 8个字节的变量double的整数倍，对齐所以为 24；

      由于A实际占用24字节，则可以想象B实际占用38字节，但A是8字节对齐的，所以int   n和char   c[10]也需要8字节对齐，总共8+24+16=48 字节。

      

例子三：

 

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1. union f 　　  
2. { 　　  
3.     char s[10]; 　　  
4.     int i; 　　  
5. };  

      sizeof(f);  //  12
      解释：在这个union中，foo的内存空间的长度为12，是int型的3倍，而并不是数组的长度10。
                 若把int改为double，则foo的内存空间为16，是double型的两倍。

二，struct

        具体说明见内存对齐例子

 

三，内存对齐

       1）概念：“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。

       2）原因：

            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。原因是：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。

       3）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#pragma pack(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#pragma pack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#pragma pack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可推断：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。

 

pragma  pack(1) 时候

 

        1>数据成员对齐：

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1. #pragma pack(1)  
2. struct test_t   
3. {  
4.     int a;      /* int型，  长度4 > 1 按1对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */  
5.     char b;     /* char型， 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  
6.     short c;    /* short型，长度2 > 1 按1对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */  
7.     char d[6];  /* char型， 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7,C] */  
8. };/*char d[6]要看成6个char型变量*/  

        sizeof(test_t) ;     //输出为13

        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 = 13   /*13%1=0*/

 

pragma pack(2) 时候

       1>成员数据对齐

　　

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1. #pragma pack(2)   
2.   
3. struct test_t {   
4.   
5.     int a; /* int型，长度4 > 2 按2对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */   
6.   
7.     char b; /* char型，长度1 < 2 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */   
8.   
9.  　　short c; /* short型，长度2 = 2 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */   
10.   
11.     char d[6]; /* char型，长度1 < 2 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8,D] */   
12.   
13. };   

　　成员总大小=14

　　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 = 14 /* 14%2=0 */

 

共用体

union u

{

　double a;

　int b;

}; 

union u2

{

　char a[13];

　int b;

}; 

union u3

{

　char a[13];

　char b;

}; 

 

cout<<sizeof(u)<<endl; // 8

cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16

cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13 

　　都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。 

　　结论：复合数据类型，如union，struct，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。

这里有个陷阱，对于结构体中的结构体成员，不要认为它的对齐方式就是他的大小，看下面的例子： 

 

struct s1

{

　char a[8];

}; 

 

struct s2

{

　double d;

}; 

 

struct s3

{

　s1 s;

　char a;

}; 

 

struct s4

{

　s2 s;

　char a; 

}; 

 

cout<<sizeof(s1)<<endl; // 8

cout<<sizeof(s2)<<endl; // 8

cout<<sizeof(s3)<<endl; // 9

cout<<sizeof(s4)<<endl; // 16; 

 

　　s1和s2大小虽然都是8，但是s1的对齐方式是1，s2是8（double），所以在s3和s4中才有这样的差异。 

　　所以，在自己定义结构体的时候，如果空间紧张的话，最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。