结构体对齐详解.docx
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结构体对齐详解
结构体对齐详解
1--结构体数据成员对齐的意义
许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的起始地址的值是某个数k的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数（alignmentmodulus）。
这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。
比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。
否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。
2--结构体对齐包括两个方面的含义
1）结构体总长度；
2）结构体内各数据成员的内存对齐，即该数据成员相对结构体的起始位置；
3--结构体大小的计算方法和步骤
1）将结构体内所有数据成员的长度值相加，记为sum_a；
2）将各数据成员为了内存对齐，按各自对齐模数而填充的字节数累加到和sum_a上，记为sum_b。
对齐模数是#pragmapack指定的数值以及该数据成员自身长度中数值较小者。
该数据相对起始位置应该是对齐模式的整数倍;
3）将和sum_b向结构体模数对齐，该模数是【#pragmapack指定的数值】、【未指定#pragmapack时，系统默认的对齐模数（32位系统为4字节，64位为8字节）】和【结构体内部最大的基本数据类型成员】长度中数值较小者。
结构体的长度应该是该模数的整数倍。
4--结构体大小计算举例
在计算之前，我们首先需要明确的是各个数据成员的对齐模数，对齐模数和数据成员本身的长度以及pragmapack编译参数有关，其值是二者中最小数。
如果程序没有明确指出，就需要知道编译器默认的对齐模数值。
下表是WindowsXP/DEV-C++和Linux/GCC中基本数据类型的长度和默认对齐模数。
例子1：
structmy_struct
{
chara;
longdoubleb;
};
此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。
在Windows中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+8B=9B-->sum_a=9B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a+7=16B-->sum_b=16B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。
sum_b是4的4倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-1所示。
在Linux中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+12B=13B-->sum_a=13B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_a+3=16B-->sum_b=16B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为12后者为4，所以结构体对齐模数是4。
sum_b是4的4倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-2所示。
例子2：
#pragmapack
（2）
structmy_struct
{
chara;
longdoubleb;
};
#pragmapack（）
例子1和例子2不同之处在于例子2中使用了#pragmapack
（2）编译参数，它强制指定对齐模数是2。
此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。
在Windows中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+8B=13B-->sum_a=9B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个字节，sum_a+1=10B-->sum_b=10B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。
sum_b是2的5倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是10B，各数据成员在内存中的分布如图2-1所示。
在Linux中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+12B=13B-->sum_a=13B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个字节，sum_a+1=14B-->sum_b=14B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。
sum_b是2的7倍，不需再次对齐。
综上3步，可知结构体的长度是14B，各数据成员在内存中的分布如图2-2所示。
例子3：
structmy_struct
{
chara;
doubleb;
charc;
};
前两例中，数据成员在Linux和Windows下都相同，例3中double的对齐模数在Linux中是4，在Windows下是8，针对这种模数不相同的情况加以分析。
在Windows中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+8B+1B=10B-->sum_a=10B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a+7=17B-->sum_b=17B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为8后者为8，所以结构体对齐模数是8。
sum_b应该是8的整数倍，所以要在结构体后填充8*3-17=7个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图3-1所示。
在Linux中计算步骤如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
1B+8B+1B=10B，sum_a=10B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_b=sum_a+3=13B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma
pack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。
sum_b应该是4的整数倍，所以要在结构体后填充4*4-13=3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图3-2所示。
例子4：
structmy_struct
{
chara[11];
intb;
charc;
};
此例子Windows和Linux计算方法一样，如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
11B+4B+1B=16B-->sum_a=16B
步骤2：
数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_a+1=17B-->sum_b=17B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为4后者为4，所以结构体对齐模数是4。
sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充4*5-17=1个字节。
综上3步，可知结构体的长度是20B，各数据成员在内存中的分布如图4所示。
例子5：
structmy_test
{
intmy_test_a;
charmy_test_b;
};
structmy_struct
{
structmy_testa;
doublemy_struct_a;
intmy_struct_b;
charmy_struct_c;
};
例子5和前几个例子均不同，在此例子中我们要计算structmy_struct的大小，而my_struct中嵌套了一个my_test结构体。
这种结构体应该如何计算呢？
原则是将my_test在my_struct中先展开，然后再计算，即是展开成如下结构体：
structmy_struct
{
intmy_test_a;
charmy_test_b;
doublemy_struct_a;
intmy_struct_b;
charmy_struct_c;
};
此例子Windows中的计算方法如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
4B+1B+8B+4B+1B=18B-->sum_a=18B
步骤2：
数据成员my_struct_a为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充3个字节：
sum_a+3=21B-->sum_b=21B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragmapack中较小者，前者为8后者为8，所以结构体对齐模数是8。
sum_b是8的整数倍，需在结构体后填充3*8-21=3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图5所示。
此例子Linux中的计算方法如下：
步骤1：
所有数据成员自身长度和：
4B+1B+8B+4B+1B=18B，sum_a=18B
步骤2：
数据成员my_struct_a为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_b=sum_a+3=21B
步骤3：
按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma
pack中较小者，前者为4后者为4，所以结构体对齐模数是4。
sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充6*4-21=3个字节。
综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图5所示。
5--源代码附录
上面的例子均在Windows（VC++6.0）和Linux（GCC4.1.0）上测试验证。
下面是测试程序。
#include
#include
usingnamespacestd;
intmain（）
{
cout<<"sizeof（char）="<cout<<"sizeof（short）="<cout<<"sizeof（int）="<cout<<"sizeof（long）="<cout<<"sizeof（float）="<cout<<"sizeof（double）="<cout<<"sizeof（longlong）="<cout<<"sizeof（longdouble）="<//例子1
{
structmy_struct
{
chara;
longdoubleb;
};
cout<<"exapmle-1:
sizeof（my_struct）="<structmy_structdata;
printf（"my_struct->a:
%u\nmy_struct->b:
%u\n\n",&data.a,&data.b）;
}
//例子2
{
#pragmapack
（2）
structmy_struct
{
chara;
longdoubleb;
};
#pragmapack（）
structmy_structdata;
cout<<"exapmle-2:
sizeof（my_struct）="<printf（"my_struct->a:
%u\nmy_struct->b:
%u\n\n",&data.a,&data.b）;
}
//例子3
{
structmy_struct
{
chara;
doubleb;
charc;
};
structmy_structdata;
cout<<"exapmle-3:
sizeof（my_struct）="<printf（"my_struct->a:
%u\nmy_struct->b:
%u\nmy_struct->c:
%u\n\n",&data.a,&data.b,&data.c）;
}
//例子4
{
structmy_struct
{
chara[11];
intb;
charc;
};
cout<<"example-4:
sizeof（my_struct）="<structmy_structdata;
printf（"my_struct->a:
%u\nmy_struct->b:
%u\nmy_struct->c:
%u\n\n",&data,&data.b,&data.c）;
}
//例子5
{
structmy_test
{
intmy_test_a;
charmy_test_b;
};
structmy_struct
{
structmy_testa;
doublemy_struct_a;
intmy_struct_b;
charmy_struct_c;
};
cout<<"example-5:
sizeof（my_struct）="<structmy_structdata;
printf（"my_struct->my_test_a:
%u\n"
"my_struct->my_test_b:
%u\n"
"my_struct->my_struct_a:
%u\n"
"my_struct->my_struct_b:
%u\n"
"my_struct->my_struct_c:
%u\n",&data.a.my_test_a,&data.a.my_test_b,
&data.my_struct_a,&data.my_struct_b,&data.my_struct_c）;
}
return0;
}
执行结果：
//Linuxlocalhost3.4.6-2.10-desktop#1SMPPREEMPTThuJul2819:
20:
26UTC2012（641c197）x86_64x86_64x86_64GNU/Linux
sizeof（char）=1
sizeof（short）=2
sizeof（int）=4
sizeof（long）=8
sizeof（float）=4
sizeof（double）=8
sizeof（longlong）=8
sizeof（longdouble）=16
exapmle-1:
sizeof（my_struct）=32
my_struct->a:
2163695552
my_struct->b:
2163695568
exapmle-2:
sizeof（my_struct）=18
my_struct->a:
2163695680
my_struct->b:
2163695682
exapmle-3:
sizeof（my_struct）=24
my_struct->a:
2163695648
my_struct->b:
2163695656
my_struct->c:
2163695664
example-4:
sizeof（my_struct）=20
my_struct->a:
2163695616
my_struct->b:
2163695628
my_struct->c:
2163695632
example-5:
sizeof（my_struct）=24
my_struct->my_test_a:
2163695584
my_struct->my_test_b:
2163695588
my_struct->my_struct_a:
2163695592
my_struct->my_struct_b:
2163695600
my_struct->my_struct_c:
2163695604
//Linuxlocalhost3.4.6-2.10-desktop#1SMPPREEMPTThuJul2609:
36:
26UTC2012（641c197）i686i686i386GNU/Linux
sizeof（char）=1
sizeof（short）=2
sizeof（int）=4
sizeof（long）=4
sizeof（float）=4
sizeof（double）=8
sizeof（longlong）=8
sizeof（longdouble）=12
exapmle-1:
sizeof（my_struct）=16
my_struct->a:
3213889904
my_struct->b:
3213889908
exapmle-2:
sizeof（my_struct）=14
my_struct->a:
3213889890
my_struct->b:
3213889892
exapmle-3:
sizeof（my_struct）=16
my_struct->a:
3213889872
my_struct->b:
3213889876
my_struct->c:
3213889884
example-4:
sizeof（my_struct）=20
my_struct->a:
3213889852
my_struct->b:
3213889864
my_struct->c:
3213889868
example-5:
sizeof（my_struct）=24
my_struct->my_test_a:
3213889828
my_struct->my_test_b:
3213889832
my_struct->my_struct_a:
3213889836
my_struct->my_struct_b:
3213889844
my_struct->my_struct_c:
3213889848
//CYGWIN_NT-6.1motadou-PC1.7.20（0.266/5/3）2013-06-0711:
11i686Cygwin
sizeof（char）=1
sizeof（short）=2
sizeof（int）=4
sizeof（long）=4
sizeof（float）=4
sizeof（double）=8
sizeof（longlong）=8
sizeof（longdouble）=12
exapmle-1:
sizeof（my_struct）=16
my_struct->a:
2272336
my_struct->b:
2272340
exapmle-2:
sizeof（my_struct）=14
my_struct->a:
2272322
my_struct->b:
2272324
exapmle-3:
sizeof（my_struct）=24
my_struct->a:
2272296
my_struct->b:
2272304
my_struct->c:
2272312
example-4:
sizeof（my_struct）=20
my_struct->a:
2272276
my_struct->b:
2272288
my_struct->c:
2272292
example-5:
sizeof（my_struct）=24
my_struct->my_test_a:
2272248
my_struct->my_test_b:
2272252
my_struct->my_struct_a:
2272256
my_struct->my_struct_b:
2272264
my_struct->my_struct_c:
2272268
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