關於struct的邊界對齊問題

關於struct的邊界對齊問題
Intel、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題：

1. #include <iostream.h>

2. #pragma pack(8)
3. struct example1
4. {
5. short a;
6. long b;
7. };

8. struct example2
9. {
10. char c;
11. example1 struct1;
12. short e;    
13. };
14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv[])
16. {
17. example2 struct2;

18. cout << sizeof(example1) << endl;
19. cout << sizeof(example2) << endl;
20. cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2) << endl;

21. return 0;
22. }

問程式的輸入結果是什嗎？

答案是：

8
16
4

　　不明白？還是不明白？下面一一道來：

2.1 自然對界

　　struct是一種複合資料型別，其構成元素既可以是基礎資料型別 (Elementary Data Type)（如int、long、float等）的變數，也可以是一些複合資料型別（如
array、struct、union等）的資料單元。對於結構體，編譯器會自動進行成員變數的對齊，以提高運算效率。預設情況下，編譯器為結構體的每個
成員按其自然對界（natural
alignment）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在記憶體中順序儲存，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

　　自然對界(natural alignment)即預設對齊，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

　　例如：

struct naturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};
　　在上述結構體中，size最大的是short，其長度為2位元組，因而結構體中的char成員a、c都以2為單位對齊，sizeof(naturalalign)的結果等於6；

　　如果改為：

struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
　　其結果顯然為12。

2.2指定對界

　　一般地，可以通過下面的方法來改變預設的對界條件：

　　· 使用偽指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個位元組對齊；
　　· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自訂位元組對齊。

　　注意：如果#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size，則其不起作用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

　　例如：

#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()
　　當n為4、8、16時，其對齊均一樣，sizeof(naturalalign)的結果都等於12。而當n為2時，其發揮了作用，使得sizeof(naturalalign)的結果為8。

　　在VC++ 6.0編譯器中，我們可以指定其對界方式，其操作方式為依次選擇projetct > setting > C/C++菜單，在struct member alignment中指定你要的對界方式。

　　另外，通過__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結構體成員對齊在n位元組邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細講解。

2.3 面試題的解答

　　至此，我們可以對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

　　程式中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對界為8，但是由於struct
example1中的成員最大size為4（long變數size為4），故struct example1仍然按4位元組對界，struct
example1的size為8，即第18行的輸出結果；

　　struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡單資料成員的最大size為2（short變數e），但是因為其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size為4，struct example2也應以4對界，因為8大於4,所以#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起作用，故19行的輸出結果為16；

　　由於struct example2中的成員以4為單位對界，故其char變數c後應補充3個空，其後才是成員struct1的記憶體空間，20行的輸出結果為4。

 

補充：上面說的還不是很清楚，總結一下：在預設情況下，VC規定各個成員變數存放的起始地址相對於結構的起始地址的位移量必須為該類型所佔位元組數的
倍數。 同時為了確保結構的大小為位元組邊界數（結構中佔用最大空間
的類型所佔用的位元組數）的倍數，所以在為最後一個成員變數申請空間後，還會根據需要自動填滿空缺的位元組。(supermonkey注: 其實這裡相當於把example1的成員展開到example2中來判斷!)