实例讲解C语言编程中的结构体对齐

2020-01-26 14:38:36

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供稿：网友

Q：关于结构体的对齐，到底遵循什么原则？
A：首先先不讨论结构体按多少字节对齐，先看看只以1字节对齐的情况：

#include <stdio.h>#include <string.h>#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d/n", (intValue));#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)#pragma pack(1)typedef struct{  char  sex;  short  score;  int   age;}student;int main(){  PRINT_D(sizeof(student))  PRINT_D(OFFSET(student,sex))  PRINT_D(OFFSET(student,score))  PRINT_D(OFFSET(student,age))  return 0;}

输出：

sizeof(student) is 7OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 1OFFSET(student,age) is 3

可以看到，如果按1字节对齐，那么结构体内部的成员紧密排列，sizeof(char) == 1, sizeof(short) == 2, sizeof(int) == 4.

修改上面的代码，去掉#pragma pack语句，代码如下：

#include <stdio.h>#include <string.h>#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d/n", (intValue));#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)typedef struct{  char  sex;  short  score;  int   age;}student;int main(){  PRINT_D(sizeof(student))  PRINT_D(OFFSET(student,sex))  PRINT_D(OFFSET(student,score))  PRINT_D(OFFSET(student,age))  return 0;}

运行结果：

sizeof(student) is 8OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 2OFFSET(student,age) is 4

此时，各个成员之间就不像之前那样紧密排列了，而是有一些缝隙。这里需要介绍下对齐原则：

此原则是在没有#pragma pack语句作用时的原则（不同平台可能会有不同）：

原则A：struct或者union的成员，第一个成员在偏移0的位置，之后的每个成员的起始位置必须是当前成员大小的整数倍；

原则B：如果结构体A含有结构体成员B，那么B的起始位置必须是B中最大元素大小整数倍地址；

原则C：结构体的总大小，必须是内部最大成员的整数倍；

依据上面3个原则，我们来具体分析下： sex在偏移0处，占1字节；score是short类型，占2字节，score必须以2的整数倍为起始位置，所以它的起始位置为2； age为int类型，大小为4字节，它必须以4的整数倍为起始位置，因为前面有sex占1字节，填充的1字节和score占2字节，地址4已经是4的整数倍，所以age的位置为4.最后，总大小为4的倍数，不用继续填充。

继续修改上面的代码，增加#pragma pack语句：

#include <stdio.h>#include <string.h>#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d/n", (intValue));#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)#pragma pack(4)typedef struct{  char  sex;  short  score;  int   age;}student;int main(){  PRINT_D(sizeof(student))  PRINT_D(OFFSET(student,sex))  PRINT_D(OFFSET(student,score))  PRINT_D(OFFSET(student,age))  return 0;}

运行结果：

sizeof(student) is 8OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 2OFFSET(student,age) is 4

具体分析下：

有了#pragma pack(4)语句后，之前说的原则A和C就不适用了。实际对齐原则是自身对齐值(成员sizeof大小)和指定对齐值(#pragma pack指定的对齐大小)的较小者。依次原则，sex依然偏移为0，自身对齐值为1，指定对齐值为4，所以实际对齐为1； score成员自身对齐值为2，指定对齐值为4，实际对齐为2；所以前面的sex后面将填充一个1字节，然后是score的位置，它的偏移为2；age自身对齐值为4，指定对齐为4，所以实际对齐值为4；前面的sex和score正好占用4字节，所以age接着存放；它的偏移为4.

Q：关于位域的问题，空域到底表示什么？
A：它表示之后的位域从新空间开始。

#include <stdio.h>#include <string.h>#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d/n", (intValue));#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)typedef struct {  int a : 1;  int b : 3;  int : 0;  int d : 2;}bit_info;int main(){  PRINT_D(sizeof(bit_info))  return 0;}

运行结果：

sizeof(bit_info) is 8

bit_info中的a, b占用4个字节的前4位，到int:0; 时表示此时将填充余下所有没有填充的位，即刚刚的4个字节的余下28位；int d:2; 将从第四个字节开始填充，又会占用4个字节，所以总大小为8.

再来看下面几个小例子
例1：

struct A{         char f1 : 3;         char f2 : 4;         char f3 : 5;     };

a b c
A的内存布局：111,1111 *,11111 * * *
位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。
例2：

struct B{         char f1 : 3;         short f2 : 4;         char f3 : 5;     };

由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C++中为2。
例3：

struct C{         char f1 : 3;         char f2;         char f3 : 5;     };

非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。
考虑一个问题，为什么要设计内存对齐的处理方式呢？如果体系结构是不对齐的，成员将会一个挨一个存储，显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢？体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下，人家就可以跟你解释的，一大堆的道理。
最后顺便提一点，在设计结构体的时候，一般会尊照一个习惯，就是把占用空间小的类型排在前面，占用空间大的类型排在后面，这样可以相对节约一些对齐空间。

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