優化結構體中元素的佈局

 下面的代碼片段定義了結構體A和B：

struct A  // 結構體A
{
      int a;
      char b;
      short c;
};
struct B  // 結構體B
{
      char b;
      int a;
      short c;
};

在32位機器上，char、short、int三種類型的大小分別是1、2、4。那麼上面兩個結構體的大小如何呢?

結構體A中包含了一個4字節的int，一個1字節的char和一個2字節的short，B也一樣，所以A、B的大小應該都是4+2+1 = 7字節。但是，實驗給出的卻是另外的結果：

sizeof(strcut A) = 8, sizeof(struct B) = 12

其原因還要從字節對齊說起。

現代計算機中內存空間都是按照字節來劃分的，從理論上來講，對變量的訪問可以從任何地址開始；但在實際情況中，爲了提升存取效率，各類型數據需要按照一定的規則在空間上排列，這使得對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取，以空間換取時間，這就是字節對齊。

結構體默認的字節對齊一般滿足三個準則：

（1）結構體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除。

（2）結構體每個成員相對於結構體首地址的偏移量（offset）都是成員自身大小的整數倍，如有需要，編譯器會在成員之間加上填充字節（Internal Adding）。

（3）結構體的總大小爲結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，如有需要，編譯器會在最末一個成員之後加上填充字節（Trailing Padding）。

按照這三條規則再去分析結構體A和B，就不會對於上述的結果一臉詫異了。這兩個結構體在內存空間中的排列如圖1-2所示（灰色網格表示的字節爲填充字節）。

 

圖1-2　結構體A和B的內存分佈

在編程應用中，如果空間緊張，需要考慮節約空間，那麼就需要將結構體中的各個變量按照上面的原則進行排列。基本的原則是：把結構體中的變量按照類型大小從小到大依次聲明，儘量減少中間的填充字節。

也可以採用保留字節的形式顯式地進行字節填充實現對齊，以提高存取效率。其實這就是時間與空間的博弈。如下面的代碼片段所示，其中的reserved成員對程序沒有什麼意義，它只是填補空間以達到字節對齊的目的：

struct A  // 結構體A
{
    int a;
    char b;
    char reserved; // 保留字節，空間換時間
    short c;
};
struct B  // 結構體B
{
    char b;
    char reserved1[3]; // 保留字節1，空間換時間
    int a;
    short c;
    char reserved2[2]; // 保留字節2，空間換時間
};

 

在某些時候，還可以通過編譯器的pack指令調整結構體的對齊方式。#pragma pack的基本用法爲：

#pragma pack( n )
n爲字節對齊數，其取值爲1、2、4、8、16，默認是8。
#pragma pack(1)// 設置1字節對齊
struct A  // 結構體A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

將結構體A的對齊方式設爲1字節對齊，那麼A就不再有填充字節了，sizeof(A)的結果即爲各元素所佔字節之和7。

請記住：

瞭解結構體中元素的對齊規則，合理地爲結構體元素進行佈局。這樣不僅可以有效地節約空間，還可以提高元素的存取效率。