windows下結構體的資料對齊

前言

比如有些平台每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會需要2個讀周期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該int資料。資料對齊(Data Alignment) 這個要求可以提高儲存空間系統的效能，減少定址次數，代價是浪費了一些空間。換句話說是用相對廉價的空間換得時間。

資料對齊

在我電腦上的各基本類型的所佔位元組數如下：

有結構體A如下：

   1: struct A

   2: {

   3:     int i;

   4:     double d;

   5:     char c;

   6:     short s;

   7: };

資料對齊有兩種方式，一種是自然對齊，另一種是強制對齊。

自然對齊

結構體資料自然對齊要滿足的條件：

1. 假設資料的位移量X，資料所屬類型所佔位元組數b，那麼需要滿足 X % b == 0。

2. 假設結構體中所佔總位元組數為N，結構體中占位元組數最大的資料類型（比如結構體A中的double）的位元組數為B。那麼需要滿足 N % B == 0。

現在分析結構體A

int i; int型佔4個位元組，結構體的第一個資料，所以位移量為0（位移量的單位是位元組），能夠整除4，滿足條件一

double d; double 型佔8個位元組，位移量為4，不能夠整除8，不滿足條件一，所以將其位移量後移至8，從而滿足條件一。

char c; char型佔1個位元組，位移量為16，能夠整除1，滿足條件一。

short s; short型佔2個位元組，位移量為17，不能夠整除2，不滿足條件一，所以將其位移量後移至18，從而滿足條件一。

綜上所述: i的位移量是0，d的位移量是8，c的位移量是16，s的位移量是18。

假設struct A的起始地址為Addr，那麼i,d,c,s的記憶體位址是Addr+各自的位移量。

將所有位元組加起來應該是20個位元組，即struct A所佔的記憶體空間應該是（結構體A的起始地址 ~ 結構體A的起始地址+19）。但是不滿足條件2，在struct A中占位元組數最大的資料類型是double佔8個位元組，所以總位元組數為24。如何驗證這一說呢？可以聲明一個結構體數組A a[2]；如果struct A真的占位元組數為24，那麼&a[1].i – &a[0].i的值應該等於24。換言之，short s佔了兩個位元組之後還另佔了4個位元組的記憶體位址保持資料的對齊，&a[1].i – &a[0].i = 6。有圖有真相：

觀察到兩點

1.每個資料的記憶體位址都是struct A的起始地址（0x002afbac）+各自的位移量。

2.&a[1].i  - &a[0].s = 6從而驗證了上面加粗字的內容為真。

強制對齊

強制對齊需要用到#pragma pack

   1: #pragma pack(1)

   2:  

   3:     struct B

   4:     {

   5:         int i;

   6:         double d;

   7:         char c;

   8:         short s;

   9:     };

  10: #pragma pack()

先不理會#pragma pack的具體功能，只需要知道它有一個參數即可。

結構體的強制對齊要滿足：

1. 假設資料的位移量X，資料所屬類型所佔位元組數b1，#pragma pack(b2)的參數為b2，那麼需滿足 X % ( min ( b1, b2) ) == 0。

2. 假設結構體中所佔總位元組數為N，結構體中占位元組數最大的資料類型（比如結構體A中的double）的位元組數為B1，#pragma pack(b2)的參數為B2，那麼應該滿足

N % ( min( B1, B2) ) == 0。

#pragma pack( n ) 的作用就在條件1，2中體現了，也體現了強制對齊與自然對齊的區別。

現在分析結構體B（與結構體唯一的區別就是加了pack）所佔的總位元組數：

int i；位移量為0，能夠整除min (4, 1)。

double d；位移量為4，能夠整除min (8, 1)

char c；位移量為12，能夠整除min (1, 1)

short s；位移量為13，能夠整除min (2, 1)

所以最後的總位元組數為15。又15能夠整除min (8, 1)，滿足條件2，因此最後的總位元組數為15。見真相：

總結

自然對齊其實是有預設的pack，在我的電腦中它的預設值為8（可通過#pragma pack(show)來查詢預設值，啟動並執行時候在警告欄中顯示），也就是本文中的自然對齊與

   1: #pragma pack(8)

   2:  

   3:     struct A

   4:     {

   5:         int i;

   6:         double d;

   7:         char c;

   8:         short s;

   9:     };

  10: #pragma pack()

是等價的。