#pragma_pack(n)_与__attribute(aligned(n))的关系与区别

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#pragma pack(n) 与 __attribute(aligned(n))

 

在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

例如，下面的结构各成员空间分配情况：

struct test

{

     char x1;

     short x2;

     float x3;

     char x4;

};

结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对齐，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

更改C编译器的缺省字节对齐方式

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。

一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

     ·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。

另外，还有如下的一种方式：

     ·__attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。

     ·__attribute__((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。

 

下面有一道在 CSDN论坛 上讨论火热的题：

#pragma pack(8)

struct s1

{

short a;

long b;

};

 

struct s2

{

char c;

s1 d;

long long e;

};

#pragma pack()

 

问：

1.sizeof(s2) = ?

2.s2的c后面空了几个字节接着是d?

 

结果如下：

1.sizeof(S2)结果为24。

成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐。即每个成员按自己的方式对齐，也就是说上面虽然指定了按8字节对齐，但并不是所有的成员都是以8字节对齐。其对齐的规则是，每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

S1中，成员a是2字节默认按2字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取2,a按2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按1字节对齐,而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.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节.

                a    b

S1的内存布局：11**,1111,

                c   S1.a S1.b     d

S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111

 

这里有三点很重要:

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

 

补充一下,对于数组,比如:

char a[3];这种,它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐.

如果写: typedef char Array3[3];

Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度.

不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个.

 

测试的编译器：

GCC 2.95 3.1 3.3 3.4 4.0

MS C/C++ 7.0 7.1 8.0 beta

Borland C/C++ 5.6 6.0

Intel C/C++ 7.0 8.0 8.1

DigitalMars C/C++ 8.4

OpenWatcom 1.3

Codeplay C/C++ 2.1.7

 

朋友帖了如下一段代码：

#pragma pack(4)

class TestB

{

public:

int aa;

char a;

short b;

char c;

};

int nSize = sizeof(TestB);

这里nSize结果为12，在预料之中。

 

现在去掉第一个成员变量为如下代码：

#pragma pack(4)

class TestC

{

public:

char a;

short b;

char c;

};

int nSize = sizeof(TestC);

按照正常的填充方式nSize的结果应该是8，为什么结果显示nSize为6呢？

 

事实上，很多人对#pragma pack的理解是错误的。

#pragma pack规定的对齐长度，实际使用的规则是：

结构，联合，或者类的数据成员，第一个放在偏移为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。

也就是说，当#pragma pack的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个值的大小将不产生任何效果。

 

而结构整体的对齐，则按照结构体中最大的数据成员和#pragma pack指定值 之间，较小的那个进行。

 

具体解释

#pragma pack(4)

class TestB

{

public:

int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，

char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。

short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。

char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。

};

这个类实际占据的内存空间是9字节,类之间的对齐，是按照类内部最大的成员的长度和#pragma pack规定的值之中较小的一个对齐的。

 

所以这个例子中，类之间对齐的长度是min(sizeof(int),4)，也就是4。

 

9按照4字节圆整的结果是12，所以sizeof(TestB)是12。

 

如果

#pragma pack(2)

    class TestB

{

public:

int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，

char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(2),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。

short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(2)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。

char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。

};

//可以看出，上面的位置完全没有变化，只是类之间改为按2字节对齐，9按2圆整的结果是10。

//所以 sizeof(TestB)是10。

 

最后看原贴：

现在去掉第一个成员变量为如下代码：

#pragma pack(4)

class TestC

{

public:

char a;//第一个成员，放在[0]偏移的位置，

short b;//第二个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[2,3]的位置。

char c;//第三个，自身长为1，放在[4]的位置。

};

//整个类的大小是5字节，按照min(sizeof(short),4)字节对齐，也就是2字节对齐，结果是6

//所以sizeof(TestC)是6。

感谢 Michael 提出疑问，在此补充：

当数据定义中出现__declspec( align() )时，指定类型的对齐长度还要用自身长度和这里指定的数值比较，然后取其中较大的。最终类/结构的对齐长度也需要和这个数值比较，然后取其中较大的。

可以这样理解，__declspec( align() ) 和 #pragma pack是一对兄弟，前者规定了对齐的最小值，后者规定了对齐的最大值，两者同时出现时，前者拥有更高的优先级。

__declspec( align() )的一个特点是，它仅仅规定了数据对齐的位置，而没有规定数据实际占用的内存长度，当指定的数据被放置在确定的位置之后，其后的数据填充仍然是按照#pragma pack规定的方式填充的，这时候类/结构的实际大小和内存格局的规则是这样的：

在__declspec( align() )之前，数据按照#pragma pack规定的方式填充，如前所述。当遇到__declspec( align() )的时候，首先寻找距离当前偏移向后最近的对齐点（满足对齐长度为max(数据自身长度,指定值) )，然后把被指定的数据类型从这个点开始填充，其后的数据类型从它的后面开始，仍然按照#pragma pack填充，直到遇到下一个__declspec( align() )。

当所有数据填充完毕，把结构的整体对齐数值和__declspec( align() )规定的值做比较，取其中较大的作为整个结构的对齐长度。

特别的，当__declspec( align() )指定的数值比对应类型长度小的时候，这个指定不起作用。