优化结构体中元素的布局

 下面的代码片段定义了结构体A和B：

struct A  // 结构体A
{
      int a;
      char b;
      short c;
};
struct B  // 结构体B
{
      char b;
      int a;
      short c;
};

在32位机器上，char、short、int三种类型的大小分别是1、2、4。那么上面两个结构体的大小如何呢?

结构体A中包含了一个4字节的int，一个1字节的char和一个2字节的short，B也一样，所以A、B的大小应该都是4+2+1 = 7字节。但是，实验给出的却是另外的结果：

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

其原因还要从字节对齐说起。

现代计算机中内存空间都是按照字节来划分的，从理论上来讲，对变量的访问可以从任何地址开始；但在实际情况中，为了提升存取效率，各类型数据需要按照一定的规则在空间上排列，这使得对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取，以空间换取时间，这就是字节对齐。

结构体默认的字节对齐一般满足三个准则：

（1）结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除。

（2）结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员自身大小的整数倍，如有需要，编译器会在成员之间加上填充字节（Internal Adding）。

（3）结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要，编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（Trailing Padding）。

按照这三条规则再去分析结构体A和B，就不会对于上述的结果一脸诧异了。这两个结构体在内存空间中的排列如图1-2所示（灰色网格表示的字节为填充字节）。

 

图1-2　结构体A和B的内存分布

在编程应用中，如果空间紧张，需要考虑节约空间，那么就需要将结构体中的各个变量按照上面的原则进行排列。基本的原则是：把结构体中的变量按照类型大小从小到大依次声明，尽量减少中间的填充字节。

也可以采用保留字节的形式显式地进行字节填充实现对齐，以提高存取效率。其实这就是时间与空间的博弈。如下面的代码片段所示，其中的reserved成员对程序没有什么意义，它只是填补空间以达到字节对齐的目的：

struct A  // 结构体A
{
    int a;
    char b;
    char reserved; // 保留字节，空间换时间
    short c;
};
struct B  // 结构体B
{
    char b;
    char reserved1[3]; // 保留字节1，空间换时间
    int a;
    short c;
    char reserved2[2]; // 保留字节2，空间换时间
};

 

在某些时候，还可以通过编译器的pack指令调整结构体的对齐方式。#pragma pack的基本用法为：

#pragma pack( n )
n为字节对齐数，其取值为1、2、4、8、16，默认是8。
#pragma pack(1)// 设置1字节对齐
struct A  // 结构体A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

将结构体A的对齐方式设为1字节对齐，那么A就不再有填充字节了，sizeof(A)的结果即为各元素所占字节之和7。

请记住：

了解结构体中元素的对齐规则，合理地为结构体元素进行布局。这样不仅可以有效地节约空间，还可以提高元素的存取效率。