c語言struct中位元組對齊

 聲明，以下內容轉載自：http://www.blogjava.net/hjh132/archive/2008/03/17/186849.html  和
http://blog.csdn.net/xuxinshao/article/details/2244297 

 

VC中下面幾個結構體大小分別是多少呢
struct MyStruct
{
    double m4;
    char m1;
    int  m3；
};
struct MyStruct {
    char m1;
    double m4;
    int m3;
};
#pragma pack(push)//儲存對齊狀態
#pragma pack(16)  //設定為16位元組對齊
struct test
{
   char m1;
   int m3;  
   double m4;    
};
#pragma pack(pop)//恢複對齊狀態
如果你的答案不是16，24和16，相信下面的內容對你很有協助。
1、 sizeof應用在結構上的情況
請看下面的結構：
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
};
對結構MyStruct採用sizeof會出現什麼結果呢？sizeof(MyStruct)為多少呢？也許你
會這樣求：
sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13
但是當在VC中測試上面結構的大小時，你會發現sizeof(MyStruct)為16。你知道為什
麼在VC中會得出這樣一個結果嗎？
其實，這是VC對變數儲存的一個特殊處理。為了提高CPU的儲存速度，VC對一些變數的
起始地址做了“對齊”處理。在預設情況下，VC規定各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變數的類型所佔用的位元組數的倍數。下面列出常用類型的
對齊(vc6.0,32位系統)。
類型      對齊（變數存放的起始地址相對於結構的起始地址的位移量）
Char      位移量必須為sizeof(char)即1的倍數
Short     位移量必須為sizeof(short)即2的倍數
int   位移量必須為sizeof(int)即4的倍數
float 位移量必須為sizeof(float)即4的倍數
double 位移量必須為sizeof(double)即8的倍數
各成員變數在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間，同時按照上面的對
齊方式調整位置，空缺的位元組VC會自動填滿。同時VC為了確保結構的大小為結構的位元組邊
界數（即該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。
下面用前面的例子來說明VC到底怎麼樣來存放結構的。
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
}；
為上面的結構分配空間的時候，VC根據成員變數出現的順序和對齊，先為第一個
成員dda1分配空間，其起始地址跟結構的起始地址相同（剛好位移量0剛好為sizeof(doub
le)的倍數），該成員變數佔用sizeof(double)=8個位元組；接下來為第二個成員dda分配空
間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的位移量為8，是sizeof(char)的倍數
，所以把dda存放在位移量為8的地方滿足對齊，該成員變數佔用 sizeof(char)=1個字
節；接下來為第三個成員type分配空間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址
的位移量為9，不是sizeof (int)=4的倍數，為了滿足對齊對位移量的約束問題，VC自
動填充3個位元組（這三個位元組沒有放什麼東西），這時下一個可以分配的地址對於結構的起
始地址的位移量為12，剛好是sizeof(int)=4的倍數，所以把type存放在位移量為12的地方
，該成員變數佔用sizeof(int)=4個位元組；這時整個結構的成員變數已經都分配了空間，總
的佔用的空間大小為：8+1+3+4=16，剛好為結構的位元組邊界數（即結構中佔用最大空間的
類型所佔用的位元組數sizeof(double)=8）的倍數，所以沒有空缺的位元組需要填充。所以整
個結構的大小為：sizeof(MyStruct)=8+1+ 3+4=16，其中有3個位元組是VC自動填滿的，沒有
放任何有意義的東西。
下面再舉個例子，交換一下上面的MyStruct的成員變數的位置，使它變成下面的情況
：
struct MyStruct
{
char dda;
double dda1;
int type
}；
這個結構佔用的空間為多大呢？在VC6.0環境下，可以得到sizeof(MyStruc)為24。結
合上面提到的分配空間的一些原則，分析下VC怎麼樣為上面的結構分配空間的。（簡單說
明）
struct MyStruct
{
char dda;//位移量為0，滿足對齊，dda佔用1個位元組；
double dda1;//下一個可用的地址的位移量為1，不是sizeof(double)=8
//的倍數，需要補足7個位元組才能使位移量變為8（滿足對齊
//方式），因此VC自動填滿7個位元組，dda1存放在位移量為8
//的地址上，它佔用8個位元組。
int type；//下一個可用的地址的位移量為16，是sizeof(int)=4的倍
//數，滿足int的對齊，所以不需要VC自動填滿，type存
//放在位移量為16的地址上，它佔用4個位元組。
}；//所有成員變數都分配了空間，空間總的大小為1+7+8+4=20，不是結構
//的節邊界數（即結構中佔用最大空間的類型所佔用的位元組數sizeof
//(double)=8）的倍數，所以需要填充4個位元組，以滿足結構的大小為
//sizeof(double)=8的倍數。
所以該結構總的大小為：sizeof(MyStruc)為1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個位元組
是VC自動填滿的，沒有放任何有意義的東西。
VC對結構的儲存的特殊處理確實提高CPU儲存變數的速度，但是有時候也帶來了一些麻
煩，我們也屏蔽掉變數預設的對齊，自己可以設定變數的對齊。
VC 中提供了#pragma pack(n)來設定變數以n位元組對齊。n位元組對齊就是說變數存
放的起始地址的位移量有兩種情況：第一、如果n大於等於該變數所佔用的位元組數，那麼偏
移量必須滿足預設的對齊，第二、如果n小於該變數的類型所佔用的位元組數，那麼位移
量為n的倍數，不用滿足預設的對齊。結構的總大小也有個約束條件，分下面兩種情況
：如果n大於所有成員變數類型所佔用的位元組數，那麼結構的總大小必須為佔用空間最大的
變數佔用的空間數的倍數；

否則必須為n的倍數。下面舉例說明其用法。
#pragma pack(push) //儲存對齊狀態
#pragma pack(4)//設定為4位元組對齊
struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
#pragma pack(pop)//恢複對齊狀態
以上結構的大小為16，下面分析其儲存情況，首先為m1分配空間，其位移量為0，滿足
我們自己設定的對齊（4位元組對齊），m1佔用1個位元組。接著開始為 m4分配空間，這時
其位移量為1，需要補足3個位元組，這樣使位移量滿足為n=4的倍數（因為sizeof(double)大
於n）,m4佔用8個位元組。接著為m3分配空間，這時其位移量為12，滿足為4的倍數，m3佔用
4個位元組。這時已經為所有成員變數分配了空間，共分配了16個位元組，滿足為n的倍數。如
果把上面的#pragma pack(4)改為#pragma pack(16)，那麼我們可以得到結構的大小為24。
（請讀者自己分析）

 

更改C編譯器的預設位元組對齊
在預設情況下，C編譯器為每一個變數或是資料單元按其自然對界條件分配空間。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)，C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。

另外，還有如下的一種方式：
     · __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結構成員對齊在n位元組常態範圍上。如果結構中有成員的長度大於n，則按照最大成員的長度來對齊。
     · __attribute__ ((packed))，取消結構在編譯過程中的最佳化對齊，按照實際佔用位元組數進行對齊。

以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一種方式較為常見。

下面有一道在 CSDN論壇 上討論火熱的題：

 

Intel和微軟等公司同時出現的面試題

#pragma pack(8)

struct s1{
short a;
long b;
};

struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};

#pragma pack()

問
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c後面空了幾個位元組接著是d?

感謝 redleaves(ID最吊的網友) 的解答，結果如下：

sizeof(S2)結果為24.
成員對齊有一個重要的條件,即每個成員分別對齊.即每個成員按自己的方式對齊.
也就是說上面雖然指定了按8位元組對齊,但並不是所有的成員都是以8位元組對齊.其對齊的規則是,每個成員按其類型的對齊參數(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數(這裡是8位元組)中較小的一個對齊.並且結構的長度必須為所用過的所有對齊參數的整數倍,不夠就補空位元組.
S1中,成員a是1位元組預設按1位元組對齊,指定對齊參數為8,這兩個值中取1,a按1位元組對齊;成員b是4個位元組,預設是按4位元組對齊,這時就按4位元組對齊,所以sizeof(S1)應該為8;
S2 中,c和S1中的a一樣,按1位元組對齊,而d 是個結構,它是8個位元組,它按什麼對齊呢?對於結構來說,它的預設對齊就是它的所有成員使用的對齊參數中最大的一個,S1的就是4.所以,成員d就是 按4位元組對齊.成員e是8個位元組,它是預設按8位元組對齊,和指定的一樣,所以它對到8位元組的邊界上,這時,已經使用了12個位元組了,所以又添加了4個位元組 的空,從第16個位元組開始放置成員e.這時,長度為24,已經可以被8(成員e按8位元組對齊)整除.這樣,一共使用了24個位元組.
                          a    b
S1的記憶體布局：11**,1111,
                          c    S1.a S1.b     d
S2的記憶體布局：1***,11**,1111,****11111111

這裡有三點很重要:
1.每個成員分別按自己的方式對齊,並能最小化長度
2.複雜類型(如結構)的預設對齊是它最長的成員的對齊,這樣在成員是複雜類型時,可以最小化長度
3.對齊後的長度必須是成員中最大的對齊參數的整數倍,這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊

補充一下,對於數組,比如:
char a[3];這種,它的對齊和分別寫3個char是一樣的.也就是說它還是按1個位元組對齊.
如果寫: typedef char Array3[3];
Array3這種類型的對齊還是按1個位元組對齊,而不是按它的長度.
不論類型是什麼,對齊的邊界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一個.