union 与struct的空间计算

一、x86

总体上遵循两个原则：

• 整体空间----占用空间最大的成员（的类型）所占字节数的整数倍
• 对齐原则----内存按结构成员的先后顺序排列，当排到该成员变量时，其前面已摆放的空间大小必须是该成员类型大小的整倍数，如果不够则补齐，以此向后类推

说明：假定结构体是从地址0开始依次存放各个变量的

struct s1
  {        变量占据内存位置   去掉余下变量后结构体所占内存空间
  char a;       //0               //
  double b;     //8-15            //
  int c;        //16-19    　　　　//
  char d;       //20      　　　　 //
  short e;      //22-23   　　　　 //
  short f;      //24-25   　　　　 //
} student;
 

详细解释：sizeof()用法汇总

为什么会有这样的规定呢？

这一定与处理器的字长有关（处理器一次存取数据的宽度）和编译器对结构体变量的处理有关。不幸的是，本人对x86架构不甚熟悉，只能借助与ARM结构来说明这个问题。

二、ARM

总体上遵循两个原则：

• 整体空间----如果含有>4字节类型的成员，整体空间是4字节数的整数倍；反之，都是<=4字节的成员，占用空间最大的成员类型所占字节数的整数倍
• 对齐原则----内存按结构成员的先后顺序排列。当排到该成员变量时，倘若该成员>4字节，其前面已摆放的空间大小必须是4的整倍数；倘若该成员<=4字节，其前面已摆放的空间大小必须是该成员类型大小的整倍数，如果不够则补齐。以此向后类推

说明：假定结构体是从地址0开始依次存放各个变量的

struct s1
  {          变量占据内存位置    去掉余下变量后结构体所占内存空间
  char a;   　　　 //0          　　 //
  double b; 　　　 //4-11        　　//
  int c;    　　　 //12-15       　　//
  char d;  　　　　//16         　　 //
  short e; 　　　　//18-19      　　 //
  short f; 　　　　//20-21      　　 //
 }student;
 

为什么会有这样的规定呢？

这一定与处理器的字长有关（处理器一次存取数据的宽度），所以必须先将ARM的字长，实际上涉及的内容是load/stort存储方式。ARM字长是32位，4个字节。也就是说，无论如何它都要使用32位数据总线（虽然它也支持字节/半字传送）。

ldr指令

什么意思呢？看程序你就知道了。

int类型变量的存储

    AREA    Init,CODE,READONLY
    IMPORT main

    ENTRY

_entry
    ldr r0,=0x12345678
    ldr r1,=0x1000
    str r0,[r1]

    ldr     r2,[r1]       ;r2=0x12345678
    ldr     r2,[r1,#]    ;r2=0x123456         不对齐发生旋转
    ldr     r2,[r1,#2]    ;r2=0x1234

    bl main
    END

试想，倘若我们定义了一个int变量，值为0x12345678，按照小端格式在0x1000、0x1001、0x1002、0x1003，依次存放的数据是0x78、0x56、0x34、0x12，而我们再从这儿(0x1000)取的时候，还是0x12345678。

假设我们按照小端格式存但是没有对齐（4字节对齐），在0x1001、0x1002、0x1003、0x1004，依次存放0x78、0x56、0x34、0x12，再假设0x1000单元存了一个0xab。那么我们再从这儿(0x1001)取的时候，取出来的就是0xab345678，显然读到的不是之前存的数据。

就算是，有一个非常聪明的编译器，知道如果没有对齐存放的话，将来取的时候，要从0x1001、0x1002、0x1003取一部分（一条指令），然后再从0x1004取一部分（一条指令），最后整合（好几条指令），这样的工作实在是麻烦，编译器的效率是极低的。

所以，最好的办法就是一开始存数据的时候，就根据其类型合适的对齐存放。例如int变量，就给它分配到能被4整除的地址上（实际上在它之前的存储空间大小就是4的倍数），而不要将其分配在不能被4整除的位置上。

倘若是double类型的变量，实在无可奈何，存的时候只有分两次存，读的时候分两次读，这也是32位机最快的方法。倘若没有对齐，不知道要在存取时折腾多少次。也就是说，把double类型（其实还有其他>4字节的类型）都是放在以4为倍数的地址上。

char型变量的存储

至于char型变量，是没什么要求的。

 　 ldr r0,=0x12345678
    ldr r1,=0x1000
    str r0,[r1]

    ldrb    r2,[r1]       ;r2=0x00000078
    ldrb    r2,[r1,#]    ;r2=0x00000056
    ldrb    r2,[r1,#2]    ;r2=0x00000034

ldrb指令，你从哪个地方读，就返回你想要的值，不会发生什么移位旋转的问题。所以，你把一个char型变量，放在任意位置都行，ldrb指令都能准确无误的将其取出。

short变量的存储

还有short变量，这个也是有说唱的。情况也有些复杂，但没有ldr指令那么复杂。

    ldr r0,=0x12345678
    ldr r1,=0x1000
    str r0,[r1]

    ldrh     r2,[r1]       ;r2=0x00005678
    ldrh     r2,[r1,#]    ;r2=0x00005678             不对齐读的还是0x10000的内容
    ldrh     r2,[r1,#]    ;r2=0x00001234

试想，倘若我们定义了一个short变量，值为0x5678，按照小端格式在0x1000、0x1001，依次存放的数据是0x78、0x56，而我们再从这儿(0x1000)取的时候，还是0x00005678。

假设我们按照小端格式存但是没有对齐(2字节对齐)，在0x1001、0x1002 ，依次存放0x78、0x56，再假设0x1000单元存了一个0xab。那么我们再从这儿(0x1001)取的时候，取出来的就是0x000078ab，显然读到的不是之前存的数据。

所以在存储short变量时，是存在以2为倍数的地址上。

回到正题

由上可知，我们知道了变量在存储过程中对地址的限制。通常，这些非常底层的东西，程序员是无需知道的。只不过，当用到struct结构体时，会把这个问题翻出来。

结构体变量的成员是按次序在内存中排放，排放时候也需要遵从上边的限制。现在，那两条规则的原因就是这样了。

结论

不同架构的处理器对应着一定的编译器，这些不同的编译器对struct变量的处理是不一样的。