【C++ Primer】 神秘的 sizeof(union) 、sizeof(struct) 和記憶體對齊技術

一，union：C/C++關鍵字  共用體（聯合）

       共用體的聲明和共用體變數定義與結構十分相似。形式為：

 

union 共用體名{ 　　資料類型 成員名; 　　資料類型 成員名; 　　... 　　} 變數名; 

       共用體表示幾個變數共用一個記憶體位置，在不同的時間儲存不同的資料類型和不同長度的變數.在union中，所有的共用體成員共用一個空間，並且同一時間只能儲存其中一個成員變數的值。當一個共用體被聲明時, 編譯器自動地產生一個變數, 其長度為聯合中最大的變數長度的整數倍（特別注意數組）

例子一：

 

union foo{

　　int i;

　　char c;

　　double k;

　　};

sizeof(foo);   //double最長佔用8位元組，所以union foo大小為8位元組

 

例子二：　

union A  {    int a[5];       //20    short b;     //2    double c;    //8    char p2;     //1};struct B { int n; // 4位元組 A a; // 24位元組 char c[10]; // 10位元組 };

 

 

      sizeof(A) ;  //24     而不是20     ???

      sizeof(B) ;  //48     而不是？？？

      對齊： 分配記憶體時，每個成員放在長度倍數位置，如果不夠，補位對齊

      補齊： 對整個結構變數的空間要求總長度一定是最長的成員的倍數，不夠補齊不管是對齊還是補齊，最長的成員長度超過4時，以4計。

 

      A實際佔用記憶體大小為 20位元組，但是要跟 8個位元組的變數double的整數倍，對齊所以為 24；

      由於A實際佔用24位元組，則可以想象B實際佔用38位元組，但A是8位元組對齊的，所以int   n和char   c[10]也需要8位元組對齊，總共8+24+16=48 位元組。

      

例子三：

 

union f 　　{ 　　char s[10]; 　　int i; 　　};

      sizeof(f);  //  12
      解釋：在這個union中，foo的記憶體空間的長度為12，是int型的3倍，而並不是數組的長度10。
                 若把int改為double，則foo的記憶體空間為16，是double型的兩倍。

二，struct

        具體說明見記憶體對齊例子

 

三，記憶體對齊

       1）概念：“記憶體對齊”應該是編譯器的“管轄範圍”。編譯器為程式中的每個“資料單元”安排在適當的位置上。

       2）原因：

            1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬體平台都能訪問任意地址上的任意資料的；某些硬體平台只能在某些地址處取某些特定類型的資料，否則拋出硬體異常。 　　

            2、效能原因：資料結構(尤其是棧)應該儘可能地在常態範圍上對齊。原因是：為了訪問未對齊的記憶體，處理器需要作兩次記憶體訪問；而對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。

       3）對齊規則

    　　每個特定平台上的編譯器都有自己的預設“對齊係數”(也叫對齊模數)。程式員可以通過先行編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一係數，其中的n就是你要指定的“對齊係數”。 　　

           規則： 　　

          1、資料成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員自身長度中，比較小的那個進行。 　　

          2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在資料成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大資料成員長度中，比較小的那個進行。 　　

         3、結合1、2可推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。

 

pragma  pack(1) 時候

 

        1>資料成員對齊：

#pragma pack(1)struct test_t {int a;      /* int型，  長度4 > 1 按1對齊；起始offset=0 0%1=0；存放位置區間[0,3] */char b;     /* char型， 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */short c;    /* short型，長度2 > 1 按1對齊；起始offset=5 5%1=0；存放位置區間[5,6] */char d[6];  /* char型， 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=7 7%1=0；存放位置區間[7,C] */};/*char d[6]要看成6個char型變數*/

        sizeof(test_t) ;     //輸出為13

        2>整體對齊

　　     整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 1) = 1

　　     整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 13   /*13%1=0*/

 

pragma pack(2) 時候

       1>成員資料對齊

　　

  #pragma pack(2) 　　struct test_t { 　　    int a; /* int型，長度4 > 2 按2對齊；起始offset=0 0%2=0；存放位置區間[0,3] */ 　　    char b; /* char型，長度1 < 2 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */    　　short c; /* short型，長度2 = 2 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */ 　　    char d[6]; /* char型，長度1 < 2 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8,D] */ 　　}; 　

　　成員總大小=14

　　2> 整體對齊

　　整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 2) = 2

　　整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 14 /* 14%2=0 */

 

四，終極例子

 

入門例子一：

union A{int t;   //4short m; //2char p;  //1};struct B  {    A a;          //4    double c;    //8    char p2;     //1};

       sizeof(B);  // 24 

       B中採用double長度  8位元組對齊，所以A在結構體B內 變成8位元組。實際B佔用 8+8+1=17。再填充成8的整數倍後位 24位元組 

 

變態例子二：

struct B  {    union A{int t;   //4short m; //2char p;  //1} ;    double c;    //8char p2;     //1};

 

       sizeof(B);  //16

 

如果你的第一反應是24那麼你就躺著中槍了。想想為什麼吧！！

4+8+1=13   最大類型 8的最小倍數為 16

附件：在GCC中範例程式碼

#include "stdio.h"typedef struct  BB {       union AA  //沒有typedef    {          int t;   //4          short m; //2          char p;  //1      } AA;      double c;    //8      char p2;     //1  }BB;   typedef union  A //有typedef    {          int t;   //4          short m; //2          char p;  //1      }A;             typedef   struct   B      {          A a;          //4          double c;    //8          char p2;     //1      }B;            int main()  {      printf("BB:%d\n",sizeof(BB));      printf("B:%d\n",sizeof(B));      return 0;  }