C struct 中字節對齊問題

C struct 中字節對齊問題

規則:

1. 其實,這是VC對變量存儲的一個特殊處理。爲了提高CPU的存儲速度,VC對一些變量的起始地址做了對齊處理。在默認情況下,VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須爲該變量的類型所佔用的字節數的倍數。各成員變量在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間,同時按照上面的對齊方式調整位置,空缺的字節VC會自動填充。同時VC爲了確保結構的大小爲結構的字節邊界數(即該結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數)的倍數,所以在爲最後一個成員變量申請空間後,還會根據需要自動填充空缺的字節。

2. 自然對界:(natural alignment)即默認對齊方式,是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

3. 指定對界:一般地,可以通過下面的方法來改變缺省的對界條件:

· 使用僞指令#pragma pack (n),編譯器將按照n個字節對齊;
· 使用僞指令#pragma pack (),取消自定義字節對齊方式。

注意:如果#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size,則其不起作用,結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須滿足爲n的倍數

VC中下面幾個結構體大小分別是多少呢
struct MyStruct
{
double m4;
char m1;
int m3
};

struct MyStruct{
char m1;
double m4;
int m3;
};

#pragmapack(push)//保存對齊狀態
#pragma pack(16)
//設置爲16字節對齊
struct test
{
char m1;
int m3;
doublem4;
};

#pragma pack(pop)//
恢復對齊狀態
如果你的答案不是162416,相信下面的內容對你很有幫助。

1 sizeof應用在結構上的情況
請看下面的結構:
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
};
對結構MyStruct採用sizeof會出現什麼結果呢?sizeof(MyStruct)爲多少呢?也許你會這樣求:
sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13
但是當在VC中測試上面結構的大小時,你會發現sizeof(MyStruct)16。你知道爲什麼在VC中會得出這樣一個結果嗎?
其實,這是VC對變量存儲的一個特殊處理。爲了提高CPU的存儲速度,VC對一些變量的起始地址做了對齊處理。在默認情況下,VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須爲該變量的類型所佔用的字節數的倍數。下面列出常用類型的

對齊方式(vc6.0,32位系統)
類型對齊方式(變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量)
char
偏移量必須爲sizeof(char)1的倍數
short
偏移量必須爲sizeof(short)2的倍數
int
偏移量必須爲sizeof(int)4的倍數
float
偏移量必須爲sizeof(float)4的倍數
double
偏移量必須爲sizeof(double)8的倍數
各成員變量在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間,同時按照上面的對齊方式調整位置,空缺的字節VC會自動填充。同時VC爲了確保結構的大小爲結構的字節邊界數(即該結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數)的倍數,所以在爲最後一個成員變量申請空間後,還會根據需要自動填充空缺的字節。
下面用前面的例子來說明VC到底怎麼樣來存放結構的。
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
}

爲上面的結構分配空間的時候,VC根據成員變量出現的順序和對齊方式,先爲第一個成員dda1分配空間,其起始地址跟結構的起始地址相同(剛好偏移量0剛好爲sizeof(double)的倍數),該成員變量佔用sizeof(double)=8個字節;接下來爲第二個成員dda分配空間,這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲8,是sizeof(char)的倍數,所以把dda存放在偏移量爲8的地方滿足對齊方式,該成員變量佔用 sizeof(char)=1個字節;接下來爲第三個成員type分配空間,這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲9,不是sizeof (int)=4的倍數,爲了滿足對齊方式對偏移量的約束問題,VC自動填充3個字節(這三個字節沒有放什麼東西),這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲12,剛好是sizeof(int)=4的倍數,所以把type存放在偏移量爲12的地方,該成員變量佔用sizeof(int)=4個字節;這時整個結構的成員變量已經都分配了空間,總的佔用的空間大小爲:8+1+3+4=16,剛好爲結構的字節邊界數(即結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數sizeof(double)=8)的倍數,所以沒有空缺的字節需要填充。所以整個結構的大小爲:sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16,其中有3個字節是VC自動填充的,沒有放任何有意義的東西。
下面再舉個例子,交換一下上面的MyStruct的成員變量的位置,使它變成下面的情況:
struct MyStruct
{
char dda;
double dda1;
int type
}

這個結構佔用的空間爲多大呢?在VC6.0環境下,可以得到sizeof(MyStruc)24。結合上面提到的分配空間的一些原則,分析下VC怎麼樣爲上面的結構分配空間的。(簡單說明)
struct MyStruct
{
char dda; //
偏移量爲0,滿足對齊方式,dda佔用1個字節;
double dda1; //
下一個可用的地址的偏移量爲1,不是sizeof(double)=8的倍數,需要補足7個字節才能使偏移量變爲8(滿足對齊方式),因此VC自動填充7個字節,dda1存放在偏移量爲8的地址上,它佔用8個字節。
int type
//下一個可用的地址的偏移量爲16,是sizeof(int)=4的倍數,滿足int的對齊方式,所以不需要VC自動填充,type存放在偏移量爲16的地址上,它佔用4個字節。
}

所有成員變量都分配了空間,空間總的大小爲1+7+8+4=20,不是結構的節邊界數(即結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數sizeof(double)=8)的倍數,所以需要填充4個字節,以滿足結構的大小爲sizeof(double)=8的倍數。
所以該結構總的大小爲:sizeof(MyStruc)1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個字節是VC自動填充的,沒有放任何有意義的東西。
VC
對結構的存儲的特殊處理確實提高CPU存儲變量的速度,但是有時候也帶來了一些麻煩,我們也屏蔽掉變量默認的對齊方式,自己可以設定變量的對齊方式。
VC
中提供了#pragma pack(n)來設定變量以n字節對齊方式。n字節對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況:第一、如果n大於等於該變量所佔用的字節數,那麼偏移量必須滿足默認的對齊方式,第二、如果n小於該變量的類型所佔用的字節數,那麼偏移量爲n的倍數,不用滿足默認的對齊方式。結構的總大小也有個約束條件,分下面兩種情況

:如果n大於所有成員變量類型所佔用的字節數,那麼結構的總大小必須爲佔用空間最大的變量佔用的空間數的倍數;否則必須爲n的倍數。下面舉例說明其用法。
#pragma pack(push) //
保存對齊狀態
#pragma pack(4)//
設定爲4字節對齊
struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
#pragma pack(pop)//
恢復對齊狀態

以上結構的大小爲16,下面分析其存儲情況,首先爲m1分配空間,其偏移量爲0,滿足我們自己設定的對齊方式(4字節對齊),m1佔用1個字節。接着開始爲 m4分配空間,這時其偏移量爲1,需要補足3個字節,這樣使偏移量滿足爲n=4的倍數(因爲sizeof(double)大於n,m4佔用8個字節。接着爲m3分配空間,這時其偏移量爲12,滿足爲4的倍數,m3佔用4個字節。這時已經爲所有成員變量分配了空間,共分配了16個字節,滿足爲n的倍數。如果把上面的#pragma pack(4)改爲#pragma pack(16),那麼我們可以得到結構的大小爲24
2
sizeof用法總結
VC中,sizeof有着許多的用法,而且很容易引起一些錯誤。下面根據sizeof後面的參數對sizeof的用法做個總結。
A
參數爲數據類型或者爲一般變量。例如sizeof(int),sizeof(long)等等。這種情況要注意的是不同系統系統或者不同編譯器得到的結果可能是不同的。例如int類型在16位系統中佔2個字節,在32位系統中佔4個字節。
B
參數爲數組或指針。下面舉例說明.
int a[50]; //sizeof(a)=4*50=200;
求數組所佔的空間大小
int *a=new int[50];// sizeof(a)=4; a
爲一個指針,sizeof(a)是求指針
//
的大小,32位系統中,當然是佔4個字節。
C
參數爲結構或類。Sizeof應用在類和結構的處理情況是相同的。但有兩點需要注意,第一、結構或者類中的靜態成員不對結構或者類的大小產生影響,因爲靜態變量的存儲位置與結構或者類的實例地址無關。
第二、沒有成員變量的結構或類的大小爲1,因爲必須保證結構或類的每一
個實例在內存中都有唯一的地址。
下面舉例說明,
Class Test{int a;static double c};//sizeof(Test)=4.
Test *s;//sizeof(s)=4,s
爲一個指針。
Class test1{ };//sizeof(test1)=1;
D
參數爲其他。下面舉例說明。
int func(char s[5]);
{
cout< //
數的參數在傳遞的時候系統處理爲一個指針,所
//
sizeof(s)實際上爲求指針的大小。
return 1;
}
sizeof(func(“1234”))=4//
因爲func的返回類型爲int,所以相當於
//
sizeof(int).
以上爲sizeof的基本用法,在實際的使用中要注意分析VC的分配變量的分配策略.


在網絡協議、通信控制、嵌入式系統的C/C++編程中,我們經常要傳送的不是簡單的字節流(char型數組),而是多種數據組合起來的一個整體,其表現形式是一個結構體。

  經驗不足的開發人員往往將所有需要傳送的內容依順序保存在char型數組中,通過指針偏移的方法傳送網絡報文等信息。這樣做編程複雜,易出錯,而且一旦控制方式及通信協議有所變化,程序就要進行非常細緻的修改。

  一個有經驗的開發者則靈活運用結構體,舉一個例子,假設網絡或控制協議中需要傳送三種報文,其格式分別爲packetApacketBpacketC

struct structA
{
int a;
char b;
};

struct structB
{
char a;
short b;
};

struct structC
{
int a;
char b;
float c;
}

  優秀的程序設計者這樣設計傳送的報文:

structCommuPacket
{
int iPacketType;
//報文類型標誌
union
//每次傳送的是三種報文中的一種,使用union
{
struct structA packetA;
struct structB packetB;
struct structC packetC;
}
};

  在進行報文傳送時,直接傳送structCommuPacket一個整體。

  假設發送函數的原形如下:

// pSendData:發送字節流的首地址,iLen:要發送的長度
Send(char * pSendData, unsigned int
iLen);
發送方可以直接進行如下調用發送struct CommuPacket的一個實例sendCommuPacket
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設接收函數的原形如下:
// pRecvData
:發送字節流的首地址,iLen:要接收的長度
//
返回值:實際接收到的字節數
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int
iLen)

  接收方可以直接進行如下調用將接收到的數據保存在structCommuPacket的一個實例recvCommuPacket中:

Recv( (char*)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

  接着判斷報文類型進行相應處理:

switch(recvCommuPacket.iPacketType)
{
case PACKET_A:
//A類報文處理
break;
case PACKET_B:
//B類報文處理
break;
case PACKET_C:
//C類報文處理
break;
}

  以上程序中最值得注意的是

Send( (char*)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

  中的強制類型轉換:(char*)&sendCommuPacket(char*)&recvCommuPacket,先取地址,再轉化爲char型指針,這樣就可以直接利用處理字節流的函數。

  利用這種強制類型轉化,我們還可以方便程序的編寫,例如要對sendCommuPacket所處內存初始化爲0,可以這樣調用標準庫函數memset()

memset((char*)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2. struct的成員對齊

Intel、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題:

1. #include <iostream.h>

2. #pragma pack(8)
3. struct example1
4. {
5. short a;
6. long b;
7. };

8. struct example2
9. {
10. char c;
11. example1 struct1;

//structexample2中包含了struct example1,其本身包含的簡單數據成員的最大size2short變量e),但是因爲其包含了struct example1,而struct example1中的最大成員size4struct example2也應以4對界,#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起作用,故19行的輸出結果爲16

12. shorte;
13. };
14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv[])
16. {
17. example2 struct2;

18. cout << sizeof(example1) << endl;
19. cout << sizeof(example2) << endl;
20. cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsignedint)(&struct2)
<< endl;

21. return 0;
22. }

問程序的輸入結果是什麼?

答案是:

8
16
4

  不明白?還是不明白?下面一一道來:


2.1自然對界

struct是一種複合數據類型,其構成元素既可以是基本數據類型(如 intlongfloat等)的變量,也可以是一些複合數據類型(如arraystructunion等)的數據單元。對於結構體,編譯器會自動進行成員變量的對齊,以提高運算效率。缺省情況下,編譯器爲結構體的每個成員按其自然對界(naturalalignment)條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲,第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

  自然對界(naturalalignment)即默認對齊方式,是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。例如:

structnaturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};

  在上述結構體中,size最大的是short,其長度爲2字節,因而結構體中的char成員ac都以2爲單位對齊,sizeof(naturalalign)的結果等於6

  如果改爲:

structnaturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};

  其結果顯然爲12

2.2指定對界

  一般地,可以通過下面的方法來改變缺省的對界條件:

· 使用僞指令#pragma pack (n),編譯器將按照n個字節對齊;
· 使用僞指令#pragma pack (),取消自定義字節對齊方式。

  注意:如果#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size,則其不起作用,結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

  例如:

#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()

  當n4816時,其對齊方式均一樣,sizeof(naturalalign)的結果都等於12。而當n2時,其發揮了作用,使得sizeof(naturalalign)的結果爲8

  在VC++ 6.0編譯器中,我們可以指定其對界方式(見圖1),其操作方式爲依次選擇projetct >setting > C/C++菜單,在struct memberalignment中指定你要的對界方式。

1VC++ 6.0中指定對界方式

2.3面試題的解答

  至此,我們可以對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

  程序中第2#pragma pack (8)雖然指定了對界爲8,但是由於struct example1中的成員最大size4long變量size4),故struct example1仍然按4字節對界,struct example1size8,即第18行的輸出結果;

struct example2中包含了struct example1,其本身包含的簡單數據成員的最大size2short變量e),但是因爲其包含了struct example1,而struct example1中的最大成員size4struct example2也應以4對界,#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起作用,故19行的輸出結果爲16

  由於struct example2中的成員以4爲單位對界,故其char變量c後應補充3個空,其後纔是成員struct1的內存空間,20行的輸出結果爲4

3. CC++struct的深層區別

  在C++語言中struct具有了 的功能,其與關鍵字class的區別在於struct中成員變量和函數的默認訪問權限爲public,而class的爲private

  例如,定義struct類和class類:

struct structA
{
char a;

}
class classB
{
char a;

}

  則:

struct A a;
a.a = 'a';
//訪問public成員,合法
classB b;
b.a = 'a';
//訪問private成員,不合法

  許多文獻寫到這裏就認爲已經給出了C++structclass的全部區別,實則不然,另外一點需要注意的是:

C++中的struct保持了對Cstruct的全面兼容(這符合C++的初衷——“a better c”),因而,下面的操作是合法的:

//定義struct
struct structA
{
char a;
char b;
int c;
};
structA a = {'a' , 'a' ,1};
// 定義時直接賦初值

  即struct可以在定義的時候直接以{ }對其成員變量賦初值,而class則不能,在經典書目《thinking C++ 2ndedition》中作者對此點進行了強調。

4. struct編程注意事項

  看看下面的程序:

1. #include<iostream.h>

2. struct structA
3. {
4. int iMember;
5. char *cMember;
6. };

7. int main(int argc, char* argv[])
8. {
9. structA instant1,instant2;
10.char c = 'a';

11. instant1.iMember = 1;
12. instant1.cMember = &c;

13.instant2 = instant1;

14.cout << *(instant1.cMember) << endl;

15.*(instant2.cMember) = 'b';

16. cout << *(instant1.cMember) << endl;

17. return 0;
}

14行的輸出結果是:a
16行的輸出結果是:b

Why?我們在15行對instant2的修改改變了instant1中成員的值!

  原因在於13行的instant2 =instant1賦值語句採用的是變量逐個拷貝,這使得instant1instant2中的cMember指向了同一片內存,因而對instant2的修改也是對instant1的修改。

  在C語言中,當結構體中存在指針型成員時,一定要注意在採用賦值語句時是否將2個實例中的指針型成員指向了同一片內存。

  在C++語言中,當結構體中存在指針型成員時,我們需要重寫struct的拷貝構造函數並進行“=”操作符重載。


:

默認對齊方式:
struct
name1
{
char str;

short x;
int num;
double xx;
};

sizeof(struct name1)=16個字節

內在存放地址: &name1.str= 1310576; &name1.x =1310578;

&name1.num =1310580; &name1.xx =1310584;
struct
name2
{
char str;
int num;
short x;
double xx;
};

struct name224個字節

內存存放地址: &name1.str= 1310552; &name1.num = 1310556;

&name1.x =1310560; &name1.xx = 1310568;



這個問題應該跟編譯器有關係。
對於結構體中的某一成員item,它相對於結構首地址的實際字節對齊數目X應該滿足
以下規則:
X = min(n, sizeof(item))n 是編譯器設定的最大對齊邊界數。
如果n = 8 .
struct name1
{
char str; 偏移爲0 ,從第一個字節位置存儲,佔1個字節
short x; 偏移爲2 從第三個字節位置開始存儲,佔2個字節
int num; 偏移爲4,由於前兩個佔了4個字節,所以從第五個字節開始存儲。佔4個字節
double xx; 偏移爲8,由於前兩個佔了8個字節,所以從第9個字節開始存儲。佔8個字節
};
一共佔16個字節。
struct name2
{
char str; 偏移爲0 ,從第一個字節位置存儲,佔1個字節
int num; 偏移爲4由於前兩個佔了1個字節,所以從第五個字節開始存儲。佔4個字
short x; 偏移爲2,由於前兩個佔了8個字節從第九個字節位置開始存儲,佔2個字節
double xx;偏移爲8,由於前兩個佔了10個字節,所以從第17個字節開始存儲佔8個字節
};
一共佔24個字節




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