c/c++ struct 内存对齐

为了让CPU能够更舒服地访问到变量，struct中的各成员变量的存储地址有一套对齐的机制。这个机制概括起来有两点：第一，每个成员变量的首地址，必须是它的类型的对齐值的整数倍，如果不满足，它与前一个成员变量之间要填充(padding)一些无意义的字节来满足；第二，整个struct的大小，必须是该struct中所有成员的类型中对齐值最大者的整数倍，如果不满足，在最后一个成员后面填充。

各种类型的变量的align值如下，参考的是wikipedia的页面：Data structure alignment

The following typical alignments are valid for compilers from Microsoft, Borland, and GNU when compiling for 32-bit x86:

• A char (one byte) will be 1-byte aligned.
• A short (two bytes) will be 2-byte aligned.
• An int (four bytes) will be 4-byte aligned.
• A float (four bytes) will be 4-byte aligned.
• A double (eight bytes) will be 8-byte aligned on Windows and 4-byte aligned on Linux.
• A long double (twelve bytes) will be 4-byte aligned on Linux.
• Any pointer (four bytes) will be 4-byte aligned on Linux. (eg: char*, int*)

The only notable difference in alignment for a 64-bit linux system when compared to a 32 bit is:

• A double (eight bytes) will be 8-byte aligned.
• A long double (Sixteen bytes) will be 16-byte aligned.
• Any pointer (eight bytes) will be 8-byte aligned.

这里写了个程序来验证这些事：

在64位linux下面运行这段代码的结果是：

#include <stdio.h>


struct s {
    char a;
    short b;
    char c;
    double d;
    char e;
};


int main() {


    struct s s1;


    printf("%d, %d, %d, %d, %d\n",
        (char*)(&s1.a) - (char*)(&s1),
        (char*)(&s1.b) - (char*)(&s1),
        (char*)(&s1.c) - (char*)(&s1),
        (char*)(&s1.d) - (char*)(&s1),
        (char*)(&s1.e) - (char*)(&s1));
    printf("%d\n", sizeof(struct s));


    return 0;
}

0, 2, 4, 8, 16

24

由于对齐机制的存在，实际上上面的struct在内存中是长这个样子的，共计24个字节：

struct s {
    char a;             //在地址为0的位置
    char padding1[1];   //由于下面一个元素是short，对齐字节数为2的位数，需要补1字节
    short b;            //对齐到了地址为2的位置
    char c;             //在地址为4的位置
    char padding2[3];   //由于下面一个元素是double，对齐字节数为8的倍数，需要补3字节
    double d;           //对齐到了地址为8的位置
    char e;             //在地址为16的位置
    char padding3[7];   //整个struct的大小需要是对齐数最大者，也就是double的8字节的整数倍
};

如果是在32位的linux下跑上面的程序，由于double的长度还是8字节，但是对齐是4字节的了，所以前面几个成员的位置不变，而最后的padding只需要补3个字节就可以了，所以输出的结果是0, 2, 4, 8, 16及20.

对于windows，其32位和64位下double都是8字节对齐的，所以在32位和64位下跑这个程序结果都是0, 2, 4, 8, 16及24.

最后，整个struct的大小的要求是对齐值最大者的整数倍，没有什么默认的4或者8的倍数一说。如果把上面程序中的a,b,c,d,e的类型全变成char，那么最后的他们的地址会是0,1,2,3,4，整个struct的大小 sizeof(struct s)的值是5，没有任何padding发生。

以上程序实验的环境在64位centos x64上的gcc 4.1.2（32位结果加-m32参数）及Visual Studio 2008上得出。