關於內存對齊以及通過偏移獲得結構地址

typedef struct
{
    int a;
    char b;
}A_t;
typedef struct
{
    int a;
    char b;
    char c;
}B_t;
typedef struct
{
    char a;
    int b;
    char c;
}C_t;
void main()
{
    char*a=0;
    cout<<sizeof(a)<<endl;//4
    cout<<sizeof(*a)<<endl;//1--這個能理解
         cout<<sizeof(A_t)<<endl;//8
         cout<<sizeof(B_t)<<endl;//8
    cout<<sizeof(C_t)<<endl;//12
}
爲什麼是這樣的結果啊?


2. 語法:
sizeof有三種語法形式,如下:
1) sizeof( object ); // sizeof( 對象 );
2) sizeof( type_name ); // sizeof( 類型 );
3) sizeof object; // sizeof 對象;

 


5. 指針變量的sizeof
既然是來存放地址的,那麼它當然等於計算機內部地址總線的寬度。所以在32位計算機中,一

個指針變量的返回值必定是4(以字節爲單位),可以預計,在將來的64位系統

中指針變量的sizeof結果爲8。
char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)();// 函數指針
sizeof( pc ); // 結果爲4
sizeof( pi ); // 結果爲4
sizeof( ps ); // 結果爲4
sizeof( ppc ); // 結果爲4
sizeof( pf );// 結果爲4
指針變量的sizeof值與指針所指的對象沒有任何關係,正是由於所有的指針變量所佔內存

大小相等,所以MFC消息處理函數使用兩個參數WPARAM、LPARAM就能傳遞各種複雜的消息結

構(使用指向結構體的指針)。


6. 數組的sizeof
數組的sizeof值等於數組所佔用的內存字節數,如:
char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 結果爲4,字符串末尾還存在一個NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結果爲3*4=12(依賴於int)
一些朋友剛開始時把sizeof當作了求數組元素的個數,現在,你應該知道這是不對的,那

麼應該怎麼求數組元素的個數呢?Easy,通常有下面兩種寫法:
int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char ); // 總長度/單個元素的長度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0] ); // 總長度/第一個元素的長度
寫到這裏,提一問,下面的c3,c4值應該是多少呢?
void foo3(char a3[3])
{
int c3 = sizeof( a3 ); // c3 ==
}
void foo4(char a4[])
{
int c4 = sizeof( a4 ); // c4 ==
}
也許當你試圖回答c4的值時已經意識到c3答錯了,是的,c3!=3。這裏函數參數a3已不再是

數組類型,而是蛻變成指針,相當於char* a3,爲什麼?仔細想想就不難明白,我們調用

函數foo1時,程序會在棧上分配一個大小爲3的數組嗎?不會!數組是“傳址”的,調用者

只需將實參的地址傳遞過去,所以a3自然爲指針類型(char*),c3的值也就爲4。

7. 結構體的sizeof
這是初學者問得最多的一個問題,所以這裏有必要多費點筆墨。讓我們先看一個結構體:


struct S1
{
char c;
int i;
};
問sizeof(s1)等於多少?聰明的你開始思考了,char佔1個字節,int佔4個字節,那麼加起

來就應該是5。是這樣嗎?你在你機器上試過了嗎?也許你是對的,但很可能你是錯的!V

C6中按默認設置得到的結果爲8。
Why?爲什麼受傷的總是我?
請不要沮喪,我們來好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結果等於對象或者類型所佔

的內存字節數,好吧,那就讓我們來看看S1的內存分配情況:
S1 s1 = {  a , 0xFFFFFFFF };
定義上面的變量後,加上斷點,運行程序,觀察s1所在的內存,你發現了什麼?
以我的VC6.0爲例,s1的地址爲0x0012FF78,其數據內容如下:
0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF
發現了什麼?怎麼中間夾雜了3個字節的CC?看看MSDN上的說明:
When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size,

which may include padding bytes inserted for alignment.
原來如此,這就是傳說中的字節對齊啊!一個重要的話題出現了。
爲什麼需要字節對齊?計算機組成原理教導我們這樣有助於加快計算機的取數速度,否則

就得多花指令週期了。爲此,編譯器默認會對結構體進行處理(實際上其它地方的數據變

量也是如此),讓寬度爲2的基本數據類型(short等)都位於能被2整除的地址上,讓寬度

爲4的基本數據類型(int等)都位於能被4整除的地址上,以此類推。這樣,兩個數中間就

可能需要加入填充字節,所以整個結構體的sizeof值就增長了。
讓我們交換一下S1中char與int的位置:
struct S2
{
int i;
char c;
};
看看sizeof(S2)的結果爲多少,怎麼還是8?再看看內存,原來成員c後面仍然有3個填充字

節,這又是爲什麼啊?彆着急,下面總結規律。

字節對齊的細節和編譯器實現相關,但一般而言,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)。
對於上面的準則,有幾點需要說明:
1) 前面不是說結構體成員的地址是其大小的整數倍,怎麼又說到偏移量了呢?因爲有了第

1點存在,所以我們就可以只考慮成員的偏移量,這樣思考起來簡單。想想爲什麼。
結構體某個成員相對於結構體首地址的偏移量可以通過宏offsetof()來獲得,這個宏也在

stddef.h中定義,如下:
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
例如,想要獲得S2中c的偏移量,方法爲
size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等於4
2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內置數據類型,

這裏所說的“數據寬度”就是指其sizeof的大小。由於結構體的成員可以是複合類型,比

如另外一個結構體,所以在尋找最寬基本類型成員時,應當包括複合類型成員的子成員,

而不是把複合成員看成是一個整體。但在確定複合類型成員的偏移位置時則是將複合類型

作爲整體看待。
這裏敘述起來有點拗口,思考起來也有點撓頭,還是讓我們看看例子吧(具體數值仍以VC

6爲例,以後不再說明):
struct S3
{
char c1;
S1 s;
char c2
};
S1的最寬簡單成員的類型爲int,S3在考慮最寬簡單類型成員時是將S1“打散”看的,所以

S3的最寬簡單類型爲int,這樣,通過S3定義的變量,其存儲空間首地址需要被4整除,整

個sizeof(S3)的值也應該被4整除。
c1的偏移量爲0,s的偏移量呢?這時s是一個整體,它作爲結構體變量也滿足前面三個準則

,所以其大小爲8,偏移量爲4,c1與s之間便需要3個填充字節,而c2與s之間就不需要了,

所以c2的偏移量爲12,算上c2的大小爲13,13是不能被4整除的,這樣末尾還得補上3個填

充字節。最後得到sizeof(S3)的值爲16。
通過上面的敘述,我們可以得到一個公式:
結構體的大小等於最後一個成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節數目,即:


sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trail

ing padding )

到這裏,朋友們應該對結構體的sizeof有了一個全新的認識,但不要高興得太早,有一個

影響sizeof的重要參量還未被提及,那便是編譯器的pack指令。它是用來調整結構體對齊

方式的,不同編譯器名稱和用法略有不同,VC6中通過#pragma pack實現,也可以直接修改

/Zp編譯開關。#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,如果這個值比結構體成員的sizeof值小,那麼該成員的偏移

量應該以此值爲準,即是說,結構體成員的偏移量應該取二者的最小值,公式如下:
offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )
再看示例:
#pragma pack(push) // 將當前pack設置壓棧保存
#pragma pack(2)// 必須在結構體定義之前使用
struct S1
{
char c;
int i;
};
struct S3
{
char c1;
S1 s;
char c2
};
#pragma pack(pop) // 恢復先前的pack設置
計算sizeof(S1)時,min(2, sizeof(i))的值爲2,所以i的偏移量爲2,加上sizeof(i)等於

6,能夠被2整除,所以整個S1的大小爲6。
同樣,對於sizeof(S3),s的偏移量爲2,c2的偏移量爲8,加上sizeof(c2)等於9,不能被

2整除,添加一個填充字節,所以sizeof(S3)等於10。
現在,朋友們可以輕鬆的出一口氣了,

還有一點要注意,“空結構體”(不含數據成員)的大小不爲0,而是1。試想一個“不佔

空間”的變量如何被取地址、兩個不同的“空結構體”變量又如何得以區分呢?於是,“

空結構體”變量也得被存儲,這樣編譯器也就只能爲其分配一個字節的空間用於佔位了。

如下:
struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 結果爲1


8. 含位域結構體的sizeof
前面已經說過,位域成員不能單獨被取sizeof值,我們這裏要討論的是含有位域的結構體

的sizeof,只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來。
C99規定int、unsigned int和bool可以作爲位域類型,但編譯器幾乎都對此作了擴展,允

許其它類型類型的存在。

 

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