浅谈C/C++结构体内存分配问题

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字节对齐原因详解

一.为什么要内存对齐?
    现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲，似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候，经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
        对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问 一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对 数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

二.编译器是按照什么样的原则进行对齐的?

内存对齐的四个重要基本原则总结如下：

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：按照其成员中自身对齐值最大的那个值。

③指定对齐值：#pragma pack (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。结构体的总大小，也就是sizeof的结果，必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要补齐。

        有了这些原则，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

三.字节对齐对程序的影响:
    先让我们看几个例子吧(32bit,x86环境,gcc编译器):
例1 设结构体如下定义：

struct A

{

    int a;

    char b;

    short c;

};

struct B

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

现在已知32位机器上各种数据类型的长度如下:

char:1(有符号无符号同)   
short:2(有符号无符号同)   

int:4(有符号无符号同)   

long:4(有符号无符号同)   

float:4    double:8

那么上面两个结构大小如何呢?

结果是:

sizeof(strcut A)值为8

sizeof(struct B)的值却是12

结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个,B也一样;按理说A,B大小应该都是7字节。

    之所以出现上面的结果是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

例2 

struct{

    short a1;

    short a2;

    short a3;

}A;

struct{

    long a1;

    short a2;

}B;

sizeof(A)=6, sizeof(B)=8,为什么？

注：sizeof(short)=2,sizeof(long)=4

因为:

“成员对齐有一个重要的条件,即每个成员按自己的方式对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里默认是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.”(引用)

结构体A中有3个short类型变量，各自以2字节对齐，结构体对齐参数按默认的8字节对齐，则a1,a2,a3都取2字节对齐，则sizeof(A)为6，也就是2的整数倍；

结构体B中a1为4字节对齐，a2为2字节对齐，结构体默认对齐参数为8，则a1取4字节对齐，a2取2字节对齐，结构体大小6字节，6不为4的整数倍，补空字节，增加到8时，符合所有条件，则sizeof(B)为8；

 

************************

例3.结构体中含有结构体:

#pragma pack(8)

struct S1{

    char a;

    long b;

};

struct S2 {

    char c;

    struct S1 d;

    long long e;

};

#pragma pack()

sizeof(S2)结果为24.

 

成员对齐有一个重要的条件：每个成员按自己的方式对齐.

上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是——每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小者进行对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.

S1中,成员a是1字节，默认按1字节对齐，指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;

成员b是4个字节,默认按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;

S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?

对于结构来说,它的默认对齐方式，就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.

成员e是8个字节,默认按8字节对齐,和指定的一样,所以要对齐到8字节的边界上,这时, 已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样, 一共使用了24个字节.

                               a      b

S1的内存布局：1***, 1111,

                          c      S1.a    S1.b             e

S2的内存布局：1***, 1***,   1111, ****，11111111

 

这里有三点很重要:

1.每个成员分别按自己的方式对齐,并最小化长度

2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度

3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐

 

补充一下,对于数组,比如:

char a[3];这种,它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐.

如果写: typedef char Array3[3];

Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度.

不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个. 

 

四.如何修改编译器的默认对齐值?

1.在VC IDE中，可以这样修改：[Project]|[Settings],c/c++选项卡Category的Code Generation选项的Struct Member Alignment中修改，默认是8字节。

2.在编码时，可以这样动态修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

可以设置自定义对齐方式

 

#pragma pack(push,1) //将原来的对齐方式入栈，设置新的对齐方式为1字节

struct{

    short a1;

    short a2;

    short a3;

}A;

struct{

    long a1;

    short a2;

}B;

#pragma pack(pop)

结果为sizeof(A)=6,sizeof( B)=6

#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/

struct C

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct C)值是8

修改对齐值为1：

#pragma pack (1) /*指定按1字节对齐*/

struct D

{

    char b;

    int a;

    short c;

};

#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct D)值为7

五.针对字节对齐,我们在编程中如何考虑?

    如果在编程的时候要考虑节约空间的话,那么我们只需要假定结构的首地址是0,然后各个变量按照上面的原则进行排列即可,基本的原则就是把结构中的变量按照 类型大小从小到大声明,尽量减少中间的填补空间.还有一种就是为了以空间换取时间的效率,我们显示的进行填补空间进行对齐,比如:有一种使用空间换时间做 法是显式的插入reserved成员：

struct A{

    char a;

    char reserved[3];//使用空间换时间

    int b;

}

reserved成员对我们的程序没有什么意义,它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的,当然即使不加这个成员通常编译器也会给我们自动填补对齐,我们自己加上它只是起到显式的提醒作用.

参考文献：http://blog.csdn.net/q345852047/article/details/7348038

来自为知笔记(Wiz)