结构体存储内存对齐

转自: 解析C语言结构体对齐(内存对齐问题)

 
 结构体对齐原因有很大部分是因为计算机扫描的内存单元个数,也就是数据总线的大小。

   原则1:数据成员对齐规则:结构(struct或联合union)的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始(比如int在32位机为4字节,则要从4的整数倍地址开始存储)。

   原则2:结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。(structa里存有struct b,b里有char,int,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储。)

   原则3:收尾工作: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。


   这三个原则具体怎样理解呢?我们看下面几个例子,通过实例来加深理解。

    例1:struct{
                 shorta1;
                 shorta2;
                 shorta3;
                }A;


         struct{
                long a1;
                short a2;
                }B;

         sizeof(A)= 6; 这个很好理解,三个short都为2。

         sizeof(B)= 8; 这个比是不是比预想的大2个字节?long为4,short为2,整个为8,因为原则3。

    例2:structA{
                 inta;
                 charb;
                 shortc;
                 };


         structB{
                 charb;
                 inta;
                 shortc;
                 };

        sizeof(A) = 8; int为4,char为1,short为2,这里用到了原则1和原则3。

        sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围?char为1,int为4,short为2,怎么会是12?还是原则1和原则3。

   深究一下,为什么是这样,我们可以看看内存里的布局情况。

                                    a          b       c
       A的内存布局:1111,    1*,     11

                                       b         a        c
        B的内存布局:1***,    1111,   11**

   其中星号*表示填充的字节。A中,b后面为何要补充一个字节?因为c为short,其起始位置要为2的倍数,就是原则1。c的后面没有补充,因为b和c正好占用4个字节,整个A占用空间为4的倍数,也就是最大成员int类型的倍数,所以不用补充。

   B中,b是char为1,b后面补充了3个字节,因为a是int为4,根据原则1,起始位置要为4的倍数,所以b后面要补充3个字节。c后面补充两个字节,根据原则3,整个B占用空间要为4的倍数,c后面不补充,整个B的空间为10,不符,所以要补充2个字节。

   再看一个结构中含有结构成员的例子:

    例3:structA{
                 int a;
                 double b;
                 float c;
                 };

         structB{
                 char  e[2];
                 int  f;
                 double   g;
                 short     h;
                 structA   i;
                 };

        sizeof(A) = 24;这个比较好理解,int为4,double为8,float为4,总长为8的倍数,补齐,所以整个A为24。

                                         a               b              c

                                     1111****,11111111,11******

                             (a占4字节,b占8字节,b开始的位置要是自己的整数倍,所以b要在结构体指针为x%8=0的地方,因为a只占到了4,所以顺延的第一个适合的位置为8,b的起始位置为8,前面补齐;c为4,开始位置要在x%4=0的位置,前面为16位,指针位置15,第16位为顺延的第一个合适位置,所以c开始位置为16,又因为结构体大小是整个结构体最大元素长度的整数倍,所以c的后面要补齐6位(个人见解 *——*))

        sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                                     e       f               g          h                        i 
        B的内存布局:11* *,1111, 11111111, 11 * * * * **,1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *

   省略宏与结构体中含位域字段两种情况说明,祥见原文。

   考虑一个问题,为什么要设计内存对齐的处理方式呢?如果体系结构是不对齐的,成员将会一个挨一个存储,显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢?体系结构的  对齐和不对齐,是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w,那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下,人家就可以跟你解释的,一大堆的道理。

    最后顺便提一点,在设计结构体的时候,一般会尊照一个习惯,就是把占用空间小的类型排在前面,占用空间大的类型排在后面,这样可以相对节约一些对齐空间。

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