關於C語言中的結構體對齊

(1)什麼是位元組對齊
    一個變數佔用 n 個位元組，則該變數的起始地址必須能夠被 n 整除，即: 存放起始地址 % n = 0， 對於結構體而言，這個 n 取其成員種的資料類型占空間的值最大的那個。
(2)為什麼要位元組對齊
    記憶體空間是按照位元組來劃分的，從理論上說對記憶體空間的訪問可以從任何地址開始，但是在實際上不同架構的CPU為了提高訪問記憶體的速度，就規定了對於某些類型的資料只能從特定的起始位置開始訪問。這樣就決定了各種資料類型只能按照相應的規則在記憶體空間中存放，而不能一個接一個的順序排列。

    舉個例子，比如有些平台訪問記憶體位址都從偶數地址開始，對於一個int型(假設32位系統)，如果從偶數地址開始的地方存放，這樣一個讀周期就可以讀出這個int資料，但是如果從奇數地址開始的地址存放，就需要兩個讀周期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到這個int資料，這樣明顯降低了讀取的效率。
(3)如何進行位元組對齊

    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(不指定則取預設值)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。

    這個規則有點苦澀，可以把這個規則分解一下，前半句的意思先獲得對齊值後與指定對齊值進行比較,其中對齊值獲得方式如下：

1. 資料類型的自身對齊值為：對於char型資料，其自身對齊值為1，對於short型為2，對於int, long, float類型，其自身對齊值為4，對於 double 類型其自身對齊值為8，單位為位元組。
2.結構體自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。

其中指定對齊值獲得方式如下：

#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

未指定則取預設值。

    後半句的意思是主要是針對於結構體的長度而言，因為針對資料類型的成員，它僅有一個對齊參數，其本身的長度、於這個對齊參數，即1倍。對於結構體而言，它可能使用了多種資料類型，那麼這句話翻譯成對齊規則： 每個成員的起始地址 % 自身對齊值 = 0，如果不等於 0 則先補空位元組直至這個運算式成立。
    換句話說，對於結構體而言，結構體在在記憶體的存放順序用如下規則即可映射出來：
    (一)每個成員的起始地址 % 每個成員的自身對齊值 = 0，如果不等於 0 則先補空位元組直至這個運算式成立；
    (二)結構體的長度必須為結構體的自身對齊值的整數倍,不夠就補空位元組。

    舉個例子：

1. #pragma pack(8)
2. struct A{
3.     char a;
4.     long b;
5. };
7. struct B{
8.     char a;
9.     struct A b;
10.     long c;
11. };
13. struct C{
14.     char a;
15.     struct A b;
16.     double c;
17. };
19. struct D{
20.     char a;
21.     struct A b;
22.     double c;
23.     int d;
24. };
26. struct E{
27.     char a;
28.     int b;
29.     struct A c;
30.     double d;    
31. };

    對於 struct A 來說，對於char型資料，其自身對齊值為1，對於long類型，其自身對齊值為4, 結構體的自身對齊值取其成員最大的對齊值，即大小4。那麼struct A 在記憶體中的順序步驟為：
(1) char a, 位址範圍為0x0000~0x0000,起始地址為0x0000,滿足 0x0000 % 1 = 0，這個成員位元組對齊了。
(2) long b, 地址起始位置不能從0x00001開始，因為 0x0001 % 4 != 0,  所以先補空位元組，直到0x00003結束，即補3個位元組的空位元組，從0x00004開始存放b,其位址範圍為0x00004~0x0007.
(3)此時成員都存放結束，結構體長度為8，為結構體自身對齊值的2倍，符合條件(二).
    此時滿足條件(一)和條件(二)，struct A 中各成員在記憶體中的位置為：a*** b ,sizeof(struct A) = 8。(每個星號代表一位，成員各自代表自己所佔的位，比如a佔一位，b佔四位)

    對於struct B，裡面有個類型為struct A的成員b自身對齊值為4，對於long類型，其自身對齊值為4. 故struct B的自身對齊值為4。那麼struct B 在記憶體中的順序步驟為：
(1) char a, 位址範圍為0x0000~0x0000,起始地址為0x0000,滿足 0x0000 % 1 = 0，這個成員位元組對齊了。
(2) struct A b, 地址起始位置不能從0x00001開始，因為 0x0001 % 4 != 0,  所以先補空位元組，直到0x00003結束，即補3個位元組的空位元組，從0x00004開始存放b,其位址範圍為0x00004~0x00011.
(3) long c，地址起始位置從0x000012開始， 因為 0x0012 % 4 = 0，其位址範圍為0x00012~0x0015.
(4)此時成員都存放結束，結構體長度為16，為結構體自身對齊值的4倍，符合條件(二).
    此時滿足條件(一)和條件(二)，struct B 中各成員在記憶體中的位置為：a*** b c ,sizeof(struct C) = 24。(每個星號代表一位，成員各自代表自己所佔的位，比如a佔一位，b佔八位，c佔四位)
    對於struct C，裡面有個類型為struct A的成員b自身對齊值為4，對於double 類型，其自身對齊值為8. 故struct C的自身對齊值為8。那麼struct C 在記憶體中的順序步驟為：
(1) char a, 位址範圍為0x0000~0x0000,起始地址為0x0000,滿足 0x0000 % 1 = 0，這個成員位元組對齊了。
(2) struct A b, 地址起始位置不能從0x00001開始，因為 0x0001 % 4 != 0,  所以先補空位元組，直到0x00003結束，即補3個位元組的空位元組，從0x00004開始存放b,其位址範圍為0x00004~0x00011.
(3) double c，地址起始位置不能從0x000012開始， 因為 0x0012 % 8 != 0，所以先補空位元組，直到0x000015結束，即補4個位元組的空位元組，從0x00016開始存放c,其位址範圍為0x00016~0x0023.
(4)此時成員都存放結束，結構體長度為24，為結構體自身對齊值的3倍，符合條件(二).
    此時滿足條件(一)和條件(二)，struct C 中各成員在記憶體中的位置為：a*** b **** c ,sizeof(struct C) = 24。(每個星號代表一位，成員各自代表自己所佔的位，比如a佔一位，b佔八位，c佔八位)

    對於struct D，自身對齊值為8。前面三個成員與 struct C 是一致的。對於第四成員d，因為 0x0024 % 4 = 0, 所以可以從0x0024開始存放d, 其位址範圍為0x00024~0x00027.此時成員都存放結束，結構體長度為28，28 不是結構體自身對齊值8的倍數，所以要在後面補四個空格，即在0x0028~0x0031上補四個空格。補完了，結構體長度為32, 為結構體自

身對齊值的4被，，符合條件(二).
    此時滿足條件(一)和條件(二)，struct D 中各成員在記憶體中的位置為：a*** b **** c d **** ,sizeof(struct D) = 32。(每個星號代表一位，成員各自代表自己所佔的位，比如a佔一位，b佔八位，c佔八位, d佔四位)。

    對於struct E 中各成員在記憶體中的位置為：a*** b c d, sizeof(struct E) = 24。(每個星號代表一位，成員各自代表自己所佔的位，比如a佔一位，b佔四位，c佔八位, d佔八位)。
    通過struct D 和 struct E 可以看出，在成員數量和類型一致的情況，後者的所佔空間少於前者，因為後者的填充空位元組要少。如果我們在編程時考慮節約空間的話，應該遵循將變數按照類型大小從小到大聲明的原則, 這樣盡量減少填補空間。另外，可以在填充空位元組的地方來插入reserved成員, 例如
struct A
{
   char a;
   char reserved[3];
   int b;
}；
    這樣做的目的主要是為了對程式員起一個提示作用，如果不加則編譯器會自動補齊。

 

引用：

[1 ] http://blog.ednchina.com/sealove518/55803/message.aspx