什麼是C語言結構體字節對齊,爲什麼要對齊?

一、概念

　　對齊跟數據在內存中的位置有關。如果一個變量的內存地址正好位於它長度的整數倍，他就被稱做自然對齊。比如在32位cpu下，假設一個整型變量的地址爲0x00000004，那它就是自然對齊的。
　　
　　二、爲什麼要字節對齊
　　
　　 需要字節對齊的根本原因在於CPU訪問數據的效率問題。假設上面整型變量的地址不是自然對齊，比如爲0x00000002，則CPU如果取它的值的話需要訪問兩次內存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個short然後組合得到所要的數據，如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問三次內存，第一次爲char，第二次爲short，第三次爲char，然後組合得到整型數據。而如果變量在自然對齊位置上，則只要一次就可以取出數據。一些系統對對齊要求非常嚴格，比如sparc系統，如果取未對齊的數據會發生錯誤，舉個例：
　　
　　char ch[8];
　　char *p = &ch[1];
　　int i = *(int *)p;
　　
　　
　　運行時會報segment error，而在x86上就不會出現錯誤，只是效率下降。
　　
　　三、正確處理字節對齊
　　
　　對於標準數據類型，它的地址只要是它的長度的整數倍就行了，而非標準數據類型按下面的原則對齊：
　　
　　數組：按照基本數據類型對齊，第一個對齊了後面的自然也就對齊了。
　　聯合：按其包含的長度最大的數據類型對齊。
　　結構體：結構體中每個數據類型都要對齊。
　　比如有如下一個結構體：
　　
　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　};
　　struct stu my_stu;
　　
　　
　　由於在x86下，GCC默認按4字節對齊，它會在sex後面跟name後面分別填充三個和兩個字節使length和整個結構體對齊。於是我們sizeof(my_stu)會得到長度爲20，而不是15.
　　
　　四、__attribute__選項
　　
　　我們可以按照自己設定的對齊大小來編譯程序，GNU使用__attribute__選項來設置，比如我們想讓剛纔的結構按一字節對齊，我們可以這樣定義結構體
　　
　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　}__attribute__ ((aligned (1)));
　　
　　struct stu my_stu;
　　
　　
　　則sizeof(my_stu)可以得到大小爲15。
　　
　　上面的定義等同於
　　
　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　}__attribute__ ((packed));
　　struct stu my_stu;
　　
　　
　　__attribute__((packed))得變量或者結構體成員使用最小的對齊方式，即對變量是一字節對齊，對域（field）是位對齊.
　　
　　五、什麼時候需要設置對齊
　　
　　在設計不同CPU下的通信協議時，或者編寫硬件驅動程序時寄存器的結構這兩個地方都需要按一字節對齊。即使看起來本來就自然對齊的也要使其對齊，以免不同的編譯器生成的代碼不一樣.

一、快速理解

1. 什麼是字節對齊？

在C語言中，結構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int、long、float等）的變量，也可以是一些複合數據類型（如數組、結構、聯合等）的數據單元。在結構中，編譯器爲結構的每個成員按其自然邊界（alignment）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。

爲了使CPU能夠對變量進行快速的訪問,變量的起始地址應該具有某些特性,即所謂的”對齊”. 比如4字節的int型,其起始地址應該位於4字節的邊界上,即起始地址能夠被4整除.

2. 字節對齊有什麼作用？

字節對齊的作用不僅是便於cpu快速訪問，同時合理的利用字節對齊可以有效地節省存儲空間。

對於32位機來說，4字節對齊能夠使cpu訪問速度提高，比如說一個long類型的變量，如果跨越了4字節邊界存儲，那麼cpu要讀取兩次，這樣效率就低了。但是在32位機中使用1字節或者2字節對齊，反而會使變量訪問速度降低。所以這要考慮處理器類型，另外還得考慮編譯器的類型。在vc中默認是4字節對齊的，GNU gcc 也是默認4字節對齊。

3. 更改C編譯器的缺省字節對齊方式

在缺省情況下，C編譯器爲每一個變量或是數據單元按其自然對界條件分配空間。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)，C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。

另外，還有如下的一種方式：
· __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結構成員對齊在n字節自然邊界上。如果結構中有成員的長度大於n，則按照最大成員的長度來對齊。
· __attribute__ ((packed))，取消結構在編譯過程中的優化對齊，按照實際佔用字節數進行對齊。

4. 舉例說明

例1

struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};

由於編譯器默認情況下會對這個struct作自然邊界（有人說“自然對界”我覺得邊界更順口）對齊，結構的第一個成員x1，其偏移地址爲0，佔據了第1個字節。第二個成員x2爲short類型，其起始地址必須2字節對界，因此，編譯器在x2和x1之間填充了一個空字節。結構的第三個成員x3和第四個成員x4恰好落在其自然邊界地址上，在它們前面不需要額外的填充字節。在test結構中，成員x3要求4字節對界，是該結構所有成員中要求的最大邊界單元，因而test結構的自然對界條件爲4字節，編譯器在成員x4後面填充了3個空字節。整個結構所佔據空間爲12字節。

例2

#pragma pack(1) //讓編譯器對這個結構作1字節對齊
struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
#pragma pack() //取消1字節對齊，恢復爲默認4字節對齊

這時候sizeof(struct test)的值爲8。

例3

#define GNUC_PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}GNUC_PACKED;

這時候sizeof(struct test)的值仍爲8。

二、深入理解

什麼是字節對齊,爲什麼要對齊?
TragicJun 發表於 2006-9-18 9:41:00 現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經常在特定的內存地址訪問，這就需要各種類型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
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。比如有些架構的CPU在訪問一個沒有進行對齊的變量的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下編程必須保證字節對齊.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這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要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32bit數據。顯然在讀取效率上下降很多。
二.字節對齊對程序的影響:

先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環境,gcc編譯器):
設結構體如下定義：
struct A
{
int a;
char b;
short c;
};
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
現在已知32位機器上各種數據類型的長度如下:
char:1(有符號無符號同)
short:2(有符號無符號同)
int:4(有符號無符號同)
long:4(有符號無符號同)
float:4 double:8
那麼上面兩個結構大小如何呢?
結果是:
sizeof(strcut A)值爲8
sizeof(struct B)的值卻是12

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,B也一樣;按理說A,B大小應該都是7字節。
之所以出現上面的結果是因爲編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的默認設置進行對齊的結果,那麼我們是不是可以改變編譯器的這種默認對齊設置呢,當然可以.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma 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：
#pragma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值爲7。
後面我們再講解#pragma pack()的作用.

三.編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?

先讓我們看四個重要的基本概念：

1.數據類型自身的對齊值：
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。
2.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。
3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
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".而數據結構中的數據變量都是按定義的先後順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量佔用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數倍，結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值默認爲4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定對齊值4小，所以其有效對齊值爲1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值爲4，所以有效對齊值也爲4，所以只能存放在起始地址爲0x0004到0x0007這四個連續的字節空間中，複覈0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值爲2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內容。再看數據結構B的自身對齊值爲其變量中最大對齊值(這裏是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求，0x0009到0x0000=10字節，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也爲結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B共有12個字節,sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足字節對齊了,因爲它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在後面補充2個字節,是因爲編譯器爲了實現結構數組的存取效率,試想如果我們定義了一個結構B的數組,那麼第一個結構起始地址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照數組的定義,數組中所有元素都是緊挨着的,如果我們不把結構的大小補充爲4的整數倍,那麼下一個結構的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結構的地址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍.其實諸如: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，這些已有類型的自身對齊值也是基於數組考慮的,只是因爲這些類型的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
第一個變量b的自身對齊值爲1，指定對齊值爲2，所以，其有效對齊值爲1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二個變量，自身對齊值爲4，指定對齊值爲2，所以有效對齊值爲2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續字節中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值爲2，所以有效對齊值爲2，順序存放
在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節存放的是C的變量。又C的自身對齊值爲4，所以C的有效對齊值爲2。又8%2=0,C只佔用0x0000到0x0007的八個字節。所以sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的默認對齊值?

1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，默認是8字節。
2.在編碼時，可以這樣動態修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對字節對齊,我們在編程中如何考慮?
如果在編程的時候要考慮節約空間的話,那麼我們只需要假定結構的首地址是0,然後各個變量按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結構中的變量按照類型大小從小到大聲明,儘量減少中間的填補空間.還有一種就是爲了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做法是顯式的插入reserved成員：
struct A{
char a;
char reserved[3];//使用空間換時間
int b;
}

reserved成員對我們的程序沒有什麼意義,它只是起到填補空間以達到字節對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.

六.字節對齊可能帶來的隱患:

代碼中關於對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強制類型轉換的時候。例如：
unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;
最後兩句代碼，從奇數邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規定。
在x86上，類似的操作只會影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,因爲它們要求必須字節對齊.

七.如何查找與字節對齊方面的問題:

如果出現對齊或者賦值問題首先查看
1. 編譯器的big little端設置
2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪問
3. 如果支持看設置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標誌其特殊訪問操作

舉例：

[cpp]view
plain copy

#include<iostream>  

using namespace std;  

//windows 64 位默認 結構體對齊係數爲8，32位 結構體對齊係數爲4  

//測試系統對齊係數  

// #pragma pack(8)  my_struct_1 爲16字節  

// #pragma pack(4)  my_struct_1 爲12字節  

// 不加#pragma pack(8)  my_struct_1 爲16字節  

//顧系統默認對齊係數爲8  

struct my_struct_1  

{  

    char a;     //1  

    double b;   //之前補7 +8     8/8==1  

};  

#pragma pack(4)  

struct my_struct_2  

{  

    char a;    //1  

    double b;  //3+8  

    int c;     //4     16/4=4  

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(2)  

struct my_struct_3  

{  

    char a;    //1  

    double b;  //1+8  

    int c;     //4     14/2  

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(4)  

struct my_struct_4  

{  

    char a[5];  //5  

    double b;   //3+8   16/4  

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(2)  

struct my_struct_5  

{  

    char a[5];  //5  

    double b;   //1+8   14/2  

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(4)  

struct my_struct_6  

{  

    char a;    //1  

    char b[3]; //3  

    char c;    //1   1+3+1  

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(4)  

struct my_struct_7  

{  

    char a;    //1  

    char b[3]; //3  

    char c;    //1     

    int d;     //補齊 3 +4   

};  

#pragma pack()  

#pragma pack(4)  

struct test  

{  

char x1;   //1  

short x2;  //補齊1+ 2  

float x3;  //4  

char x4;   //1 補齊+3    

};  

#pragma pack()  

int main()  

{  

    cout<<"char:"<<sizeof(char)<<endl;  

    cout<<"short:"<<sizeof(short)<<endl;  

    cout<<"int:"<<sizeof(int)<<endl;  

    cout<<"long:"<<sizeof(long)<<endl;  

    cout<<"float:"<<sizeof(float)<<endl;  

    cout<<"double:"<<sizeof(double)<<endl;  

    cout<<"long double:"<<sizeof(long double)<<endl;  

    cout<<sizeof(my_struct_1)<<endl;//8  

    cout<<sizeof(my_struct_2)<<endl;//16  

    cout<<sizeof(my_struct_3)<<endl;//14  

    cout<<sizeof(my_struct_4)<<endl;//16  

    cout<<sizeof(my_struct_5)<<endl;//14  

    cout<<sizeof(my_struct_6)<<endl;//5  

    cout<<sizeof(my_struct_7)<<endl;//12  

    cout<<sizeof(test)<<endl;//12  

    system("pause");  

    return 0;  

}

例2：

使用pack(push) ，pack(pop)

#pragma pack(push) /* 將當前pack設置壓棧保存 ;把原來對齊方式設置壓棧*/
#pragma pack(1)    /* 必須在結構體定義之前使用,這是爲了讓結構體中各成員按1字節對齊 */

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { /* bmfh */   //文件信息頭
	unsigned short bfType; 
	unsigned long  bfSize;
	unsigned short bfReserved1;
	unsigned short bfReserved2;
	unsigned long  bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER { /* bmih */     //位圖信息頭
	unsigned long  biSize;
	unsigned long  biWidth;
	unsigned long  biHeight;
	unsigned short biPlanes;
	unsigned short biBitCount;
	unsigned long  biCompression;
	unsigned long  biSizeImage;
	unsigned long  biXPelsPerMeter;
	unsigned long  biYPelsPerMeter;
	unsigned long  biClrUsed;
	unsigned long  biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER;

#pragma pack(pop) /* 恢復先前的pack設置; 恢復原來的對齊狀態 */

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