結構體對齊詳解

1 -- 結構體資料成員對齊的意義

許多實際的電腦系統對基本類型資料在記憶體中存放的位置有限制，它們會要求這些資料的起始地址的值是某個數k的倍數，這就是所謂的記憶體對齊，而這個k則被稱為該資料類型的對齊模數(alignment modulus)。這種強制的要求一來簡化了處理器與記憶體之間傳輸系統的設計，二來可以提升讀取資料的速度。比如這麼一種處理器，它每次讀寫記憶體的時候都從某個8倍數的地址開始，一次讀出或寫入8個位元組的資料，假如軟體能保證double類型的資料都從8倍數地址開始，那麼讀或寫一個double類型資料就只需要一次記憶體操作。否則，我們就可能需要兩次記憶體操作才能完成這個動作，因為資料或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8位元組記憶體塊上。

2 -- 結構體對齊包括兩個方面的含義

1)結構體總長度
2)結構體內各資料成員的記憶體對齊，即該資料成員相對結構體的起始位置

3 -- 結構體大小的計算方法和步驟

1)將結構體內所有資料成員的長度值相加，記為sum_a；
2)將各資料成員為了記憶體對齊，按各自對齊模數而填充的位元組數累加到和sum_a上，記為sum_b。對齊模數是#pragma pack指定的數值以及該資料成員自身長度中數值較小者。該資料相對起始位置應該是對齊模式的整數倍;
3)將和sum_b向結構體模數對齊，該模數是#pragma pac指定的數值和結構體內部最大的基礎資料型別 (Elementary Data Type)成員長度中數值較小者。結構體的長度應該是該模數的整數倍。

4 -- 結構體大小計算舉例

在計算之前，我們首先需要明確的是各個資料成員的對齊模數，對齊模數和資料成員本身的長度以及pragma pack編譯參數有關，其值是二者中最小數。如果程式沒有明確指出，就需要知道編譯器預設的對齊模數值。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基礎資料型別 (Elementary Data Type)的長度和預設對齊模數。

 

		char	short	int	long	double	long double
Windows	長度	1	2	4	4	8	8
	模數	1	2	4	4	8	8
Linux	長度	1	2	4	4	8	12
	模數	1	2	4	4	4	4

 

例子1：

struct my_struct {     char a;     long double b; };

此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充7個位元組，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結構體的長度是16B，各資料成員在記憶體中的分布1-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個位元組，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為12後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結構體的長度是16B，各資料成員在記憶體中的分布1-2所示。

例子2：

#pragma pack(2) struct my_struct {     char a;     long double b; }; #pragma pack()

例子1和例子2不同之處在於例子2中使用了#pragma pack(2)編譯參數，它強制指定對齊模數是2。此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是2，之前需填充1個位元組，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為2，所以結構體對齊模數是2。sum_b是2的5倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結構體的長度是10B，各資料成員在記憶體中的分布2-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是2，之前需填充1個位元組，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為2，所以結構體對齊模數是2。sum_b是2的7倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結構體的長度是14B，各資料成員在記憶體中的分布2-2所示。

例子3：

struct my_struct {     char a;     double b;     char c; }; 

前兩例中，資料成員在Linux和Windows下都相同，例3中double的對齊模數在Linux中是4，在Windows下是8，針對這種模數不相同的情況加以分析。
在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充7個位元組，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為8，所以結構體對齊模數是8。sum_b應該是8的整數倍，所以要在結構體後填充8*3 - 17 = 7個位元組。
綜上3步，可知結構體的長度是24B，各資料成員在記憶體中的分布3-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個位元組，sum_b = sum_a + 3 = 13B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma
pack中較小者，前者為8後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b應該是4的整數倍，所以要在結構體後填充4*4 - 13 = 3個位元組。
綜上3步，可知結構體的長度是16B，各資料成員在記憶體中的分布3-2所示。

例子4：

struct my_struct {     char a[11];     int b;     char c; }; 

此例子Windows和Linux計算方法一樣，如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B
步驟2：資料成員a放在相對位移0處，之前不需要填充位元組；資料成員b為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個位元組，sum_a + 1 = 17B --> sum_b = 17B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為4後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的整數倍，需在結構體後填充4*5 - 17 = 1個位元組。
綜上3步，可知結構體的長度是20B，各資料成員在記憶體中的分布4所示。

例子5：

struct my_test {     int my_test_a;     char my_test_b; }; struct my_struct {     struct my_test a;     double my_struct_a;     int my_struct_b;     char my_struct_c; }; 

例子5和前幾個例子均不同，在此例子中我們要計算struct my_struct的大小，而my_struct中嵌套了一個my_test結構體。這種結構體應該如何計算呢？原則是將my_test在my_struct中先展開，然後再計算，即是展開成如下結構體：

struct my_struct{    int my_test_a;    char my_test_b;    double my_struct_a;    int my_struct_b;    char my_struct_c;}; 

此例子Windows中的計算方法如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B
步驟2：資料成員my_struct_a為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是8，之前需填充3個位元組：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma pack中較小者，前者為8後者為8，所以結構體對齊模數是8。sum_b是8的整數倍，需在結構體後填充3*8 - 21 = 3個位元組。
綜上3步，可知結構體的長度是24B，各資料成員在記憶體中的分布5所示。

此例子Linux中的計算方法如下：
步驟1：所有資料成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B，sum_a = 18B
步驟2：資料成員my_struct_a為了記憶體對齊，根據“結構體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數是4，之前需填充3個位元組，sum_b = sum_a + 3 = 21B
步驟3：按照定義，結構體對齊模數是結構體內部最大資料成員長度和pragma
pack中較小者，前者為4後者為4，所以結構體對齊模數是4。sum_b是4的整數倍，需在結構體後填充6*4 - 21 = 3個位元組。
綜上3步，可知結構體的長度是24B，各資料成員在記憶體中的分布5所示。

5 -- 原始碼附錄

上面的例子均在Windows(VC++6.0)和Linux(GCC4.1.0)上測實驗證。下面是測試程式。

#include <iostream>int main(){ ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 例子1 {  struct my_struct   {    char a;    long double b;   };  std::cout << "exapmle-1: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;    struct my_struct data;   printf("my_struct->a: %u\n"      "my_struct->b: %u\n"      "sizeof(long double): %u\n", &data.a, &data.b, sizeof(long double));  } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 例子2 {  #pragma pack(2)   struct my_struct   {    char a;    long double b;   };   #pragma pack()  struct my_struct data;   std::cout << "exapmle-2: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;    printf("my_struct->a: %u\n"      "my_struct->b: %u\n"      "sizeof(long double): %u\n", &data.a, &data.b, sizeof(long double)); } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 例子3 {  struct my_struct   {    char a;    double b;    char c;   };    struct my_struct data;   std::cout << "exapmle-3: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;    printf("my_struct->a: %u\n"      "my_struct->b: %u\n"      "my_struct->c: %u\n", &data.a, &data.b, &data.c); } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 例子4 {  struct my_struct   {     char a[11];     int b;     char c;    };    std::cout << "example-4: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << std::endl;    struct my_struct data;  printf("my_struct->a: %u\n"      "my_struct->b: %u\n"      "my_struct->c: %u\n", &data, &data.b, &data.c); } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 例子5  {  struct my_test   {    int my_test_a;    char my_test_b;   };   struct my_struct   {    struct my_test a;    double my_struct_a;    int my_struct_b;    char my_struct_c;   };   std::cout << "example-5: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << std::endl;    struct my_struct data;  printf("my_struct->my_test_a  : %u\n"      "my_struct->my_test_b  : %u\n"      "my_struct->my_struct_a: %u\n"      "my_struct->my_struct_b: %u\n"      "my_struct->my_struct_c: %u\n", &data.a.my_test_a, &data.a.my_test_b,       &data.my_struct_a, &data.my_struct_b, &data.my_struct_c); }   return 0;}