c/c++ struct union 對齊方式

有如下的兩個結構體:

struct A                                       struct B         
{                                                {
int a;                                           int a;
unsigned __int64 b;                  short c;   
short c;                                      unsigned __int64 b;
};                                               };  

那麼 sizeof(A) 和 sizeof(B) 一樣嗎?讓我在編譯器裏試一下,啊 ? 怎麼不一樣?兩個結構體明明相同,只是第二和第三個成員變量的位置顛倒了結果卻大相徑庭。到底是因爲什麼呢?

答案是編譯器的數據對齊方式在作怪。以 vc6.0 爲例,默認情況下的對其方式是 8 位。所以 struct A 的大小爲 24 , struct B 的大小爲 16, 下面就具體分析一下數據空間佔用情況。

在 Struct A 中的 , 編譯器首先檢測所有的成員變量中的 size 最大值。很顯然 unsigned __int64 最大, sizeof(unsigned __int64) 爲 8 ,然後第一個變量 a 爲 int 型只佔 4 個字節,但是爲了對齊其被補上了四個字節 , 接着變量 b 在 變量 a 有效位置之後被放置,但是目前只有 4 個空閒的字節,根本放不下變量 b ,於是編譯器就再申請了 8 字節的空間大小,將變量 b 放在 4 個空閒字節之後,也就是說變量 b 的起始位置在第九個字節。由於變量 b 需要 8 個字節所以沒有留給變量 c 任何的剩餘空間,於是變量 c 再次申請 8 個字節的空間用於存儲自己,當然它本可以只申請 2 字節的空前就行了,但是爲了對齊他只能申請 8 字節。那麼最後我們就可以看到如下圖所示的數據存儲結構:

0

8

15

16

23

a

多申請的空間

b

...

  c

多申請的空間


在 Struct B 中的 , 編譯器前幾步的處理也和 struct A 的一樣,直到該處理變量 c 時,編譯器依然要先看看爲變量 a 分配的空間是否還有多餘並且多餘的空間是否足以容納下變量 c, 由於變量 c 只需要兩個字節,而 a 卻有 4 個字節的剩餘空間,所以變量 c 就很輕鬆的被放置在 a 之後的 4 個字節內而不需要再申請空間。變量 b 依然申請 8 字節的空間並跟隨在變量 a 空餘空間之後。最後我們就可以看到如下圖所示的數據存儲結構:     

0

1

2

3

4

5

6

7

8

15

a

 

 

 

c

 

多申請的空間

b

 


通過以上的分析我們明白了結構體內部 ( 也可以引伸到類的內部! ) 成員變量的聲明順序並不是隨意的,尤其是在內存需求特別緊張的開發環境中。

對齊的目的和原理,計算

什麼是對齊,以及爲什麼要對齊:

對齊的作用和原因:
各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。其他平 臺可能沒有這種情況, 但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對數據存放進行對齊,會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始,如果一個int型(假設爲 32 位系統)如果存放在偶地址開始的地方,那麼一個讀週期就可以讀出,而如果存放在奇地址開始的地方,就可能會需要2個讀週期,並對兩次讀出的結果的高低字節 進行拼湊才能得到該int數據。顯然在讀取效
率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。

對齊的算法:
由於各個平臺和編譯器的不同,現以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器(32位x86平臺)爲例子,來討論編譯器對struct數據結構中的各成員如何進行對齊的。
設結構體如下定義:
struct A
{
int a;
char b;
short c;
};
結構體A中包含了4字節長度的int一個,1字節長度的char一個和2字節長度的short型數據一個。所以A用到的空間應該是7字節。但是因爲編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。
所以使用sizeof(strcut A)值爲8。
現在把該結構體調整成員變量的順序。
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
這時候同樣是總共7個字節的變量,但是sizeof(struct B)的值卻是12。
下面我們使用預編譯指令#progma pack (value)來告訴編譯器,使用我們指定的對齊值來取代缺省的。
#progma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
sizeof(struct C)值是8。

修改對齊值爲1:
#progma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D
{
char b;
int a;
short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值爲7。

對於char型數據,其自身對齊值爲1,對於short型爲2,對於int,float,double類型,其自身對齊值爲4,單位字節。
這裏面有四個概念值:
1.數據類型自身的對齊值:就是上面交代的基本數據類型的自身對齊值。
2.指定對齊值:#progma pack (value)時的指定對齊值value。
3.結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。
4. 數據成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。

有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。 有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值,最重要。有效對齊N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".
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