C語言結構體對齊

C語言結構體對齊也是老生常談的話題了。基本上是面試題的必考題。結構體到底怎樣對齊？下面總結了對齊原則，在沒有#pragma pack宏的情況下：

原則1、普通資料成員對齊規則：第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員儲存的起始位置要從該成員大小的整數倍開始（比如int在32位機為４位元組，則要從4的整數倍地址開始儲存）。

原則2、結構體成員對齊規則：如果一個結構裡有某些結構體成員，則該結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍地址開始儲存。（struct a裡存有struct b，b裡有char，int，double等元素，那b應該從8的整數倍開始儲存。）

原則3、結構體大小對齊規則：結構體大小也就是sizeof的結果，必須是其內部成員中最大的對齊參數的整數倍，不足的要補齊。

補充一點，如果數組作為結構體成員，比如：char
a[3]。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3對齊。如果共用體作為結構體成員，則該共用體成員要從其內部
最大元素大小的整數倍地址開始儲存。

還有一種對齊原則，和上面三條一致，可以參考著理解。

成員對齊有一個重要的條件，即每個成員按自己的方式對齊。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(這裡預設是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。

這三個原則具體怎樣理解呢？我們看下面幾個例子，通過執行個體來加深理解。

例1：struct {

              short a1;

              short a2;

              short a3;

       }A;

       struct{

              long a1;

              short a2;

      }B;

sizeof(A) = 6; 這個很好理解，三個short都為2。

sizeof(B) = 8; 這個比是不是比預想的大2個位元組？long為4，short為2，整個為8，因為原則3。

例2：struct A{

               int a;

               char b;

               short c;

        };

        struct B{

               char b;

               int a;

               short c;

       };

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

sizeof(B) = 12; 是否超出預想範圍？char為1，int為4，short為2，怎麼會是12？還是原則1和原則3。

深究一下，為什麼是這樣，我們可以看看記憶體裡的布局情況。

                    a        b   c

A的記憶體布局：1111, 1*,11

                    b       a       c

B的記憶體布局：1***,1111,11**

其中星號*表示填充的位元組。A中，b後面為何要補充一個位元組？因為c為
short，其起始位置要為2的倍數，就是原則1。c的後面沒有補充，因為b和c正好佔用4個位元組，整個A佔用空間為4的倍數，也就是最大成員int類型
的倍數，所以不用補充。B中，b是char為1，b後面補充了3個位元組，因為a是int為4，根據原則1，起始位置要為4的倍數，所以b後面要補充3個字
節。c後面補充兩個位元組，根據原則3，整個B佔用空間要為4的倍數，c後面不補充，整個B的空間為10，不符，所以要補充2個位元組。

再看一個結構中含有結構成員的例子：

例3：struct A{

               int a;

               double b;

               float c;

       };

       struct B{

              char e[2];

              int f;

              double g;  


              short h;

              struct A i;

       };

sizeof(A) = 24; 這個比較好理解，int為4，double為8，float為4，總長為8的倍數，補齊，所以整個A為24。

sizeof(B) = 48; 看看B的記憶體布局。

                    e         f       g                h                      i 


B
的記憶體布局：11* *,1111,11111111, 11 * * * * * *,1111* * * *, 11111111, 1111 * *
* * 。 i其實就是A的記憶體布局。i的起始位置要為24的倍數，所以h後面要補齊。把B的記憶體布局弄清楚，有關結構體的對齊基本就算掌握了。

以上講的都是沒有#pragma
pack宏的情況，如果有#pragma pack宏，對齊按照宏的定義來。比如上面的結構體前加#pragma
pack(1)，記憶體的布局就會完全改變。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;有了#pragma
pack(1)，記憶體不會再遵循原則1和原則3了，按1位元組對齊。沒錯，這不是理想中的沒有記憶體對齊的世界嗎。

                    a       b               c

A的記憶體布局：1111,11111111,1111

                    e    f       g               h   i 


B的記憶體布局：11,1111,11111111,11,1111, 11111111, 1111 

 那#pragma pack(2)的結果又是多少呢？#pragma pack(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，結構體中含位域欄位。位域成員不能單獨被取sizeof值。C99規定int、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴充，允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮儲存，其大致規則為： 


1) 如果相鄰位域欄位的類型相同，且其位寬之和小於類型的sizeof大小，則後面的欄位將緊鄰前一個欄位儲存，直到不能容納為止； 


2) 如果相鄰位域欄位的類型相同，但其位寬之和大於類型的sizeof大小，則後面的欄位將從新的儲存單元開始，其位移量為其類型大小的整數倍； 


3) 如果相鄰的位域欄位的類型不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式，Dev-C++採取壓縮方式； 


4) 如果位域欄位之間穿插著非位域欄位，則不進行壓縮； 


5) 整個結構體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數倍。

還是讓我們來看看例子。

例4：struct A{ 


               char f1 : 3; 


               char f2 : 4; 


               char f3 : 5; 


       };

                    a      b          c

A的記憶體布局：111,1111 *,11111 * * *

位域類型為char，第1個位元組僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個位元組中，而f3隻能從下一個位元組開始。因此sizeof(A)的結果為2。

例5：struct B{ 


               char f1 : 3; 


               short f2 : 4; 


               char f3 : 5; 


       };

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

例6：struct C{ 


               char f1 : 3; 


               char f2; 


               char f3 : 5; 


       };

非位域欄位穿插在其中，不會產生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

考慮一個問題，為什麼要設計記憶體對齊的處理方式呢？如果體繫結構是不對齊
的，成員將會一個挨一個儲存，顯然對齊更浪費了空間。那麼為什麼要使用對齊呢？體繫結構的對齊和不對齊，是在時間和空間上的一個權衡。對齊節省了時間。假
設一個體繫結構的字長為w，那麼它同時就假設了在這種體繫結構上對寬度為w的資料的處理最頻繁也是最重要的。它的設計也是從優先提高對w位元據操作的效率
來考慮的。有興趣的可以google一下，人家就可以跟你解釋的，一大堆的道理。

最後順便提一點，在設計結構體的時候，一般會尊照一個習慣，就是把佔用空間小的類型排在前面，佔用空間大的類型排在後面，這樣可以相對節約一些對齊空間。

參考文章：

1.http://hi.baidu.com/jiyeqian/blog/item/c14e52c2a43015160ff47773.html

2.http://apps.hi.baidu.com/share/detail/125013