結(jié)構(gòu)體對齊方式.doc

對齊原則為:單字節(jié)變量無需對齊,可放在任何地址雙字節(jié)變量起始地址為2的倍數(shù)4字節(jié)變量首地址為4的倍數(shù)一個結(jié)構(gòu)體變量定義完之后，其在內(nèi)存中的存儲并不等于其所包含元素的寬度之和。例一：#include using namespace std; structX char a; int b;double c;S1;void main() cout sizeof(S1) endl; cout sizeof(S1.a) endl; cout sizeof(S1.b) endl; cout sizeof(S1.c) endl; 比如例一中的結(jié)構(gòu)體變量S1定義之后，經(jīng)測試，會發(fā)現(xiàn)sizeof(S1）= 16，其值不等于sizeof(S1.a) = 1、sizeof(S1.b) = 4和 sizeof(S1.c) = 8三者之和，這里面就存在存儲對齊問題。原則一：結(jié)構(gòu)體中元素是按照定義順序一個一個放到內(nèi)存中去的，但并不是緊密排列的。從結(jié)構(gòu)體存儲的首地址開始，每一個元素放置到內(nèi)存中時，它都會認為內(nèi)存是以它自己的大小來劃分的，因此元素放置的位置一定會在自己寬度的整數(shù)倍上開始（以結(jié)構(gòu)體變量首地址為0計算）。 比如此例，首先系統(tǒng)會將字符型變量a存入第0個字節(jié)（相對地址，指內(nèi)存開辟的首地址）；然后在存放整形變量b時，會以4個字節(jié)為單位進行存儲，由于第一個四字節(jié)模塊已有數(shù)據(jù)，因此它會存入第二個四字節(jié)模塊，也就是存入到48字節(jié)；同理，存放雙精度實型變量c時，由于其寬度為8，其存放時會以8個字節(jié)為單位存儲，也就是會找到第一個空的且是8的整數(shù)倍的位置開始存儲，此例中，此例中，由于頭一個8字節(jié)模塊已被占用，所以將c存入第二個8字節(jié)模塊。整體存儲示意圖如圖1所示。 考慮另外一個實例。例二： struct X char a; double b; int c;S2; 在例二中僅僅是將double型的變量和int型的變量互換了位置。測試程序不變，測試結(jié)果卻截然不同，sizeof(S2)=24，不同于我們按照原則一計算出的8+8+4=20，這就引出了我們的第二原則。 原則二：在經(jīng)過第一原則分析后，檢查計算出的存儲單元是否為所有元素中最寬的元素的長度的整數(shù)倍，是，則結(jié)束；若不是，則補齊為它的整數(shù)倍。 例二中，我們分析完后的存儲長度為20字節(jié)，不是最寬元素長度8的整數(shù)倍，因此將它補齊到8的整數(shù)倍，也就是24。這樣就沒問題了。其存儲示意圖如圖2所示。 掌握了這兩個原則，就能夠分析所有數(shù)據(jù)存儲對齊問題了。再來看幾個例子，應(yīng)用以上兩個原則來判斷。例三： struct X double a;char b;int c; S3; 首先根據(jù)原則一來分析。按照定義的順序，先存儲double型的a，存儲在第07個字節(jié)；其次是char型的b，存儲在第8個字節(jié)；接下來是int型的c，順序檢查后發(fā)現(xiàn)前面三個四字節(jié)模塊都被占用，因此存儲在第4個四字節(jié)模塊，也就是第1215字節(jié)。按照第一原則分析得到16個字節(jié)，16正好是最寬元素a的寬度8的整數(shù)倍，因此結(jié)構(gòu)體變量S3所占存儲空間就是16個字節(jié)。存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示。例四： struct X double a; char b;int c;char d; S4; 仍然首先按照第一原則分析，得到的字節(jié)數(shù)為8+4+4+1=17；再按照第二原則補齊，則結(jié)構(gòu)體變量S4所占存儲空間為24。存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示：例五： struct X double a; char b; int c; char d; int e; S5; 同樣結(jié)合原則一和原則二分析，可知在S4的基礎(chǔ)上在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部變量定義最后加入一個int型變量后，結(jié)構(gòu)體所占空間并未增加，仍為24。存儲結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。例六： 如果將例五中加入的變量e放到第一個定義的位置，則情況就不同了。結(jié)構(gòu)體所占存儲空間會變?yōu)?2。其存儲結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。 struct X int e; double a;char b; int c;char d; S6;補充：前面所介紹的都是元素為基本數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)體，那么含有指針、數(shù)組或是其它結(jié)構(gòu)體變量或聯(lián)合體變量時該如何呢？ 1.包含指針類型的情況。只要記住指針本身所占的存儲空間是4個字節(jié)就行了，而不必看它是指向什么類型的指針。例七：struct X struct Y struct Zchar *a; int *b;double *c; ; 經(jīng)測試，可知sizeof(X)、sizeof(Y)和sizeof(Z)的值都為4。2.含有構(gòu)造數(shù)據(jù)類型（數(shù)組、結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體）的情況。首先要明確的是計算存儲空間時要把構(gòu)造體看作一個整體來為其開辟存儲空間；其次要明確的是在最后補齊時是按照所有元素中的基本數(shù)據(jù)類型元素的最長寬度來補齊的，也就是說雖然要把構(gòu)造體看作整體，但在補齊的時候并不會按照所含結(jié)構(gòu)體所占存儲空間的長度來補齊的（即使它可能是最長的）。例八： struct Xchar a;int b; double c; ; struct Y char a;X b; ; 經(jīng)測試，可知sizeof(X)為16，sizeof(Y)為24。即計算Y的存儲長度時，在存放第二個元素b時的初始位置是在double型的長度8的整數(shù)倍處，而非16的整數(shù)倍處，即系統(tǒng)為b所分配的存儲空間是第823個字節(jié)。如果將Y的兩個元素char型的a和X型的b調(diào)換定義順序，則系統(tǒng)為b分配的存儲位置是第015個字節(jié)，為a分配的是第16個字節(jié)，加起來一共17個字節(jié)，不是最長基本類型double所占寬度8的整數(shù)倍，因此要補齊到8的整數(shù)倍，即24。測試后可得sizeof(Y)的值為24。由于結(jié)構(gòu)體所占空間與其內(nèi)部元素的類型有關(guān)，而且與不同類型元素的排列有關(guān)，因此在定義結(jié)構(gòu)體時，在元素類型及數(shù)量確定之后，我們還應(yīng)該注意一下其內(nèi)部元素的定義順序。二.編譯器是按照什么樣的原則進行對齊的? 先讓我們看四個重要的基本概念：1.數(shù)據(jù)類型自身的對齊值： 對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，單位字節(jié)。2.結(jié)構(gòu)體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。4.數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。有 了這些值，我們就可以很方便的來討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是 表示“對齊在N上”，也就是說該數(shù)據(jù)的存放起始地址%N=0.而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度需要是對結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù) 倍，結(jié)合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。例子分析：分析例子B；struct B char b; int a; short c;假 設(shè)B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定 對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值為4，所以有效對齊值也為4， 所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為 2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（102）40。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足字節(jié)對齊了, 因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補充2個字節(jié),是因為編譯器為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了一個結(jié)構(gòu)B的數(shù)組,那 么第一個結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結(jié)構(gòu)的大小補充為4的整數(shù)倍,那么下一 個結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對齊了,因此我們要把結(jié)構(gòu)補充成有效對齊大小的整數(shù)倍.其實諸如:對于char型數(shù)據(jù)，其 自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float類型，其自身對齊值為4，,double自身對齊值為8，這些已有類型的自身對齊值也是基于數(shù)組考慮的,只 是因為這些類型的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.同理,分析上面例子C：#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/struct C char b; int a; short c;#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/第 一個變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設(shè)C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變量，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù) 字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.三.如何修改編譯器的默認對齊值?1.在VC IDE中，可以這樣修改：Project|Settings,c/c+選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，默認是8字節(jié)。2.在編碼時，可以這樣動態(tài)修改：#pragma pack .通常，我們在定義結(jié)構(gòu)體的時候，不會管編譯器是怎樣的對齊方式，但在特定的場合，需要結(jié)構(gòu)體占用內(nèi)存數(shù)正好為內(nèi)成員定義時的類型所占字節(jié)數(shù)之和。例如：struct testint a;char b;int c;在編譯時，編譯器會按照默認對齊方式進行空間分配，在使用sizeof運算符得到的大小為12字節(jié)，但我們本意是按照9個字節(jié)的內(nèi)存進行分配。有以下幾種方式：1.#pragma pack (n) /將結(jié)構(gòu)體中的成員按n字節(jié)對齊struct testint a;char b;int c;#pragma pack () /取消自定義字節(jié)方式2.#pragma pack (push, 1) /將原來的對齊方式入棧，設(shè)置新的對齊方式為1字節(jié)struct