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解析C語言結(jié)構(gòu)體對齊(內(nèi)存對齊問題)C語言結(jié)構(gòu)體對齊也是老生常談的話題了?;旧鲜敲嬖囶}的必考題。內(nèi)容雖然很基礎(chǔ),但一不小心就會弄錯。寫出一個(gè)struct,然后sizeof,你會不會經(jīng)常對結(jié)果感到奇怪?sizeof的結(jié)果往往都比你聲明的變量總長度要大,這是怎么回事呢?

開始學(xué)的時(shí)候,也被此類問題困擾很久。其實(shí)相關(guān)的文章很多,感覺說清楚的不多。結(jié)構(gòu)體到底怎樣對齊?

有人給對齊原則做過總結(jié),具體在哪里看到現(xiàn)在已記不起來,這里引用一下前人的經(jīng)驗(yàn)(在沒有#pragmapack宏的情況下):

原則1、數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則:結(jié)構(gòu)(struct或聯(lián)合union)的數(shù)據(jù)成員,第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方,以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置要從該成員大小的整數(shù)倍開始(比如int在32位機(jī)為4字節(jié),則要從4的整數(shù)倍地址開始存儲)。

原則2、結(jié)構(gòu)體作為成員:如果一個(gè)結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部最大元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲。(structa里存有structb,b里有char,int,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲。)

原則3、收尾工作:結(jié)構(gòu)體的總大小,也就是sizeof的結(jié)果,必須是其內(nèi)部最大成員的整數(shù)倍,不足的要補(bǔ)齊。

這三個(gè)原則具體怎樣理解呢?我們看下面幾個(gè)例子,通過實(shí)例來加深理解。

例1:struct{

shorta1;

shorta2;

shorta3;

}A;

struct{

longa1;

shorta2;

}B;

sizeof(A)=6;這個(gè)很好理解,三個(gè)short都為2。

sizeof(B)=8;這個(gè)比是不是比預(yù)想的大2個(gè)字節(jié)?long為4,short為2,整個(gè)為8,因?yàn)樵瓌t3。

例2:structA{

inta;

charb;

shortc;

};

structB{

charb;

inta;

shortc;

};

sizeof(A)=8;int為4,char為1,short為2,這里用到了原則1和原則3。

sizeof(B)=12;是否超出預(yù)想范圍?char為1,int為4,short為2,怎么會是12?還是原則1和原則3。

深究一下,為什么是這樣,我們可以看看內(nèi)存里的布局情況。

a

b

c

A的內(nèi)存布局:1111,

1*,

11

b

a

c

B的內(nèi)存布局:1***,

1111,

11**

其中星號*表示填充的字節(jié)。A中,b后面為何要補(bǔ)充一個(gè)字節(jié)?因?yàn)閏為short,其起始位置要為2的倍數(shù),就是原則1。c的后面沒有補(bǔ)充,因?yàn)閎和c正好占用4個(gè)字節(jié),整個(gè)A占用空間為4的倍數(shù),也就是最大成員int類型的倍數(shù),所以不用補(bǔ)充。

B中,b是char為1,b后面補(bǔ)充了3個(gè)字節(jié),因?yàn)閍是int為4,根據(jù)原則1,起始位置要為4的倍數(shù),所以b后面要補(bǔ)充3個(gè)字節(jié)。c后面補(bǔ)充兩個(gè)字節(jié),根據(jù)原則3,整個(gè)B占用空間要為4的倍數(shù),c后面不補(bǔ)充,整個(gè)B的空間為10,不符,所以要補(bǔ)充2個(gè)字節(jié)。

再看一個(gè)結(jié)構(gòu)中含有結(jié)構(gòu)成員的例子:

例3:structA{

inta;

doubleb;

floatc;

};

structB{

chare[2];

intf;

doubleg;

shorth;

structAi;

};

sizeof(A)=24;這個(gè)比較好理解,int為4,double為8,float為4,總長為8的倍數(shù),補(bǔ)齊,所以整個(gè)A為24。

sizeof(B)=48;看看B的內(nèi)存布局。

e

f

g

h

i

B的內(nèi)存布局:11**,

1111,

11111111,11******,

1111****,11111111,1111****

i其實(shí)就是A的內(nèi)存布局。i的起始位置要為24的倍數(shù),所以h后面要補(bǔ)齊。把B的內(nèi)存布局弄清楚,有關(guān)結(jié)構(gòu)體的對齊方式基本就算掌握了。

以上講的都是沒有#pragmapack宏的情況,如果有#pragmapack宏,對齊方式按照宏的定義來。比如上面的結(jié)構(gòu)體前加#pragmapack(1),內(nèi)存的布局就會完全改變。sizeof(A)=16;sizeof(B)=32;

有了#pragmapack(1),內(nèi)存不會再遵循原則1和原則3了,按1字節(jié)對齊。沒錯,這不是理想中的沒有內(nèi)存對齊的世界嗎。

a

b

c

A的內(nèi)存布局:1111,

11111111,

1111

e

f

g

h

i

B的內(nèi)存布局:11,

1111,

11111111,11,

1111,11111111,1111

那#pragmapack(2)的結(jié)果又是多少呢?#pragmapack(4)呢?留給大家自己思考吧,相信沒有問題。

還有一種常見的情況,結(jié)構(gòu)體中含位域字段。位域成員不能單獨(dú)被取sizeof值。C99規(guī)定int、unsignedint和bool可以作為位域類型,但編譯器幾乎都對此作了擴(kuò)展,允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲,其大致規(guī)則為:

1)如果相鄰位域字段的類型相同,且其位寬之和小于類型的sizeof大小,則后面的字段將緊鄰前一個(gè)字段存儲,直到不能容納為止;

2)如果相鄰位域字段的類型相同,但其位寬之和大于類型的sizeof大小,則后面的字段將從新的存儲單元開始,其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍;

3)如果相鄰的位域字段的類型不同,則各編譯器的具體實(shí)現(xiàn)有差異,VC6采取不壓縮方式,Dev-C++采取壓縮方式;

4)如果位域字段之間穿插著非位域字段,則不進(jìn)行壓縮;

5)整個(gè)結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

還是讓我們來看看例子。

例4:structA{

charf1:3;

charf2:4;

charf3:5;

};

a

b

c

A的內(nèi)存布局:111,

1111*,

11111***

位域類型為char,第1個(gè)字節(jié)僅能容納下f1和f2,所以f2被壓縮到第1個(gè)字節(jié)中,而f3只能從下一個(gè)字節(jié)開始。因此sizeof(A)的結(jié)果為2。

例5:structB{

charf1:3;

shortf2:4;

charf3:5;

};

由于相鄰位域類型不同,在VC6中其sizeof為6,在Dev-C++中為2。

例6:structC{

charf1:3;

charf2;

charf3:5;

};

非位域字段穿插在其中,不會產(chǎn)生壓縮,在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

考慮一個(gè)問題,為什么要設(shè)計(jì)內(nèi)存對齊的處理方式呢?如果體系結(jié)構(gòu)是不對齊的,成員將會一個(gè)挨一個(gè)存儲,顯然對齊更浪費(fèi)了空間。那么為什么要使用對齊呢?體系結(jié)構(gòu)的對

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