C/C++中的结构体的字节对齐和#paragma pack (n)编译命令

1. 结构体的字节对齐方式

    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齐边界（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。如下结构：

1. typedef struct _TEST{
2.         char c1;
3.         short s;
4.         float f;
5.         char c2;
6. }TEST;

    结构的第一个成员c1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员s为short类型，其起始地址必须2字节对齐，因此，编译器在c1和s之间填充了一个空字节。结构的第三个成员f和第四个成员c2恰好落在其自然对齐边界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在TEST结构中，成员f要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对齐边界单元，因而整个TEST结构的自然对齐边界为4字节，编译器在成员c2后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。
测试代码如下：

1.  #include <stdio.h>
2.  typedef struct _TEST{
3.      char c1;
4.      short s;
5.      float f;
6.      char c2;
7.  }TEST,*PTEST;
8.    
9. int main(){
10.    int i;
11.    char* p;
12.    TEST t = {'a',1,2.0,'b'};
13.        
14.    printf("The base adress of the struct t: &t = 0x%xd/n", &t);
15.    printf("The first element address: &t.c1 = 0x%xd/n", &t.c1);
16.    printf("The size of the struct t: sizeof(t) = %d/n", sizeof(t));
17.    printf("The memory of the struct: ");
18.    p = (char*)&t;
19.    for( i = 0; i < sizeof(t); printf("%x ",p[i++]));
20.    printf("/n");
21. 
    
22.    return 0;
23. }
24. 
    
25. Output:
26.   The base adress of the struct t: &t = 0x12ff6cd
27.   The first element address: &t.c1 = 0x12ff6cd
28.   The size of the struct t: sizeof(t) = 12
29.   The memory of the struct: 61 ffffffcc 1 0 0 0 0 40 62 ffffffcc ffffffcc ffffffcc

    从测试代码的运行结果中我们可以看到，结构体的基址和第一个成员的地址是一样的。根据结构体的字节对齐规则，结构体的总字节数 sizeof(t) = 12，通过打印结构体t的内存情况我们可以看到它在第一个成员c1后填充了一个字节，在第三个成员后填充了3个字节。

2. 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。

同样是上面这个TEST结构，我们用#pragma pack(1)指令后，即

1. #pragma pack(1)
2. typedef struct _TEST{
3.     char c1;
4.     short s;
5.     float f;
6.     char c2;
7. }TEST,*PTEST;
8. #pragma()
9. 
   
10. //sizeof(TEST) = 8