结构体对齐方式

对齐原则为:单字节变量无需对齐,可放在任何地址双字节变量起始地址为2的倍数4字节变量首地址为4的倍数一个结构体变量定义完之后，其在内存中的存储并不等于其所包含元素的宽度之和。例一：#includeiostreamusingnamespacestd;structX{chara;intb;doublec;}S1;voidmain(){coutsizeof(S1)endl;coutsizeof(S1.a)endl;coutsizeof(S1.b)endl;coutsizeof(S1.c)endl;}比如例一中的结构体变量S1定义之后，经测试，会发现sizeof(S1）=16，其值不等于sizeof(S1.a)=1、sizeof(S1.b)=4和sizeof(S1.c)=8三者之和，这里面就存在存储对齐问题。原则一：结构体中元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每一个元素放置到内存中时，它都会认为内存是以它自己的大小来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始（以结构体变量首地址为0计算）。比如此例，首先系统会将字符型变量a存入第0个字节（相对地址，指内存开辟的首地址）；然后在存放整形变量b时，会以4个字节为单位进行存储，由于第一个四字节模块已有数据，因此它会存入第二个四字节模块，也就是存入到4~8字节；同理，存放双精度实型变量c时，由于其宽度为8，其存放时会以8个字节为单位存储，也就是会找到第一个空的且是8的整数倍的位置开始存储，此例中，此例中，由于头一个8字节模块已被占用，所以将c存入第二个8字节模块。整体存储示意图如图1所示。考虑另外一个实例。例二：structX{chara;doubleb;intc;}S2;在例二中仅仅是将double型的变量和int型的变量互换了位置。测试程序不变，测试结果却截然不同，sizeof(S2)=24，不同于我们按照原则一计算出的8+8+4=20，这就引出了我们的第二原则。原则二：在经过第一原则分析后，检查计算出的存储单元是否为所有元素中最宽的元素的长度的整数倍，是，则结束；若不是，则补齐为它的整数倍。例二中，我们分析完后的存储长度为20字节，不是最宽元素长度8的整数倍，因此将它补齐到8的整数倍，也就是24。这样就没问题了。其存储示意图如图2所示。掌握了这两个原则，就能够分析所有数据存储对齐问题了。再来看几个例子，应用以上两个原则来判断。例三：structX{doublea;charb;intc;}S3;首先根据原则一来分析。按照定义的顺序，先存储double型的a，存储在第0~7个字节；其次是char型的b，存储在第8个字节；接下来是int型的c，顺序检查后发现前面三个四字节模块都被占用，因此存储在第4个四字节模块，也就是第12~15字节。按照第一原则分析得到16个字节，16正好是最宽元素a的宽度8的整数倍，因此结构体变量S3所占存储空间就是16个字节。存储结构如图3所示。例四：structX{doublea;charb;intc;chard;}S4;仍然首先按照第一原则分析，得到的字节数为8+4+4+1=17；再按照第二原则补齐，则结构体变量S4所占存储空间为24。存储结构如图4所示：例五：structX{doublea;charb;intc;chard;inte;}S5;同样结合原则一和原则二分析，可知在S4的基础上在结构体内部变量定义最后加入一个int型变量后，结构体所占空间并未增加，仍为24。存储结构示意图如图5所示。例六：如果将例五中加入的变量e放到第一个定义的位置，则情况就不同了。结构体所占存储空间会变为32。其存储结构示意图如图6所示。structX{inte;doublea;charb;intc;chard;}S6;补充：前面所介绍的都是元素为基本数据类型的结构体，那么含有指针、数组或是其它结构体变量或联合体变量时该如何呢？1.包含指针类型的情况。只要记住指针本身所占的存储空间是4个字节就行了，而不必看它是指向什么类型的指针。例七：structXstructYstructZ{{{char*a;int*b;double*c;};};};经测试，可知sizeof(X)、sizeof(Y)和sizeof(Z)的值都为4。2.含有构造数据类型（数组、结构体和联合体）的情况。首先要明确的是计算存储空间时要把构造体看作一个整体来为其开辟存储空间；其次要明确的是在最后补齐时是按照所有元素中的基本数据类型元素的最长宽度来补齐的，也就是说虽然要把构造体看作整体，但在补齐的时候并不会按照所含结构体所占存储空间的长度来补齐的（即使它可能是最长的）。例八：structX{chara;intb;doublec;};structY{chara;Xb;};经测试，可知sizeof(X)为16，sizeof(Y)为24。即计算Y的存储长度时，在存放第二个元素b时的初始位置是在double型的长度8的整数倍处，而非16的整数倍处，即系统为b所分配的存储空间是第8~23个字节。如果将Y的两个元素char型的a和X型的b调换定义顺序，则系统为b分配的存储位置是第0~15个字节，为a分配的是第16个字节，加起来一共17个字节，不是最长基本类型double所占宽度8的整数倍，因此要补齐到8的整数倍，即24。测试后可得sizeof(Y)的值为24。由于结构体所占空间与其内部元素的类型有关，而且与不同类型元素的排列有关，因此在定义结构体时，在元素类型及数量确定之后，我们还应该注意一下其内部元素的定义顺序。二.编译器是按照什么样的原则进行对齐的?先让我们看四个重要的基本概念：1.数据类型自身的对齐值：对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。2.结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。3.指定对齐值：#pragmapack(value)时的指定对齐值value。4.数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的存放起始地址%N=0.而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数倍，结合下面例子理解)。这样就不能理解上面的几个例子的值了。例子分析：分析例子B；structB{charb;inta;shortc;};假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求，0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B共有12个字节,sizeof(structB)=12;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了,因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那么第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果我们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么下一个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能满足结构的地址对齐了,因此我们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.其实诸如:对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float类型，其自身对齐值为4，,double自身对齐值为8，这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了.同理,分析上面例子C：#pragmapack(2)/*指定按2字节对齐*/structC{charb;inta;shortc;};#pragmapack()/*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(structC)=8.三.如何修改编译器的默认对齐值?1.在VCIDE中，可以这样修改：[Project]|[Settings],c/c++选项卡Category的CodeGeneration选项的StructMemberAlignment中修改，默认是8字节。2.在编码时，可以这样动态修改：#pragmapack.通常，我们在定义结构体的时候，不会管编译器是怎样的对齐方式，但在特定的场合，需要结构体占用内存数正好为内成员定义时的类型所占字节数之和。例如：structtest{inta;charb;intc;};在编译时，编译器会按照默认对齐方式进行空间分配，在使用sizeof运算符得到的大小为12字节，但我们本意是按照9个字节的内存进行分配。有以下几种方式：1.#pragmapack(n)//将结构体中的成员按n字节对齐structtest{inta;charb;intc;};#pragmapack()//取消自定义字节方式2.#pragmapack(push,1)//将原来的对齐方式入栈，设置新的对齐方式为1字节structtest{inta;charb;intc;};#pragmapack(pop)//取消自定义字节方式3.structtest{inta;charb;intc;}__attribute__((packed));//取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。4.structtest{inta;charb;intc;}__attribute__((aligned(n)));//让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。