结构体字节对齐问题探究

Posted 2021-11-24 流楚丶格念

文章目录

• 结构体字节对齐
• • 32、64位数据类型占用字节
  • 内存对齐
  • • 内存对齐原因
  • 如何内存对齐
  • • 对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍。
    • 对于非标准数据类型，比如结构体，要遵循一下对齐原则：
    • 手动设置对齐模数:
  • 案例：
  • • Student
    • Student2
    • 全部测试代码

结构体字节对齐

在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时，并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加，这里涉及到内存字节对齐的问题。

从理论上讲，对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问，但是事实上不是如此，实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问，这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列， 而不是简单地顺序排列，这就是内存对齐。

32、64位数据类型占用字节

首先我们要知道操作系统存储各个类型的数据所要各自占用的字节，可以参考我整理的另一篇文章，里面也有内存对其原理的简单介绍：
32、64位数据类型占用字节以及内存对齐原理

内存对齐

内存对齐原因

我们知道内存的最小单元是一个字节，当cpu从内存中读取数据的时候，是一个一个字节读取，所以内存对我们来说应该是入下图这样：

但是实际上cpu将内存当成多个块，每次从内存中读取一个块，这个块的大小可能是2、4、8、16等，实际他是这样的

内存对齐是操作系统为了提高访问内存的策略。操作系统在访问内存的时候，每次读取一定长度(这个长度是操作系统默认的对齐数，或者默认对齐数的整数倍)。如果没有对齐，访问一个变量可能会产生二次访问的问题。

至此大家应该能够简单明白，为什么要内存对齐？

• 它提高存取数据的速度。
  比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据，对于一个int型的变量，若从偶地址单元处存放，则只需一个读取周期即可读取该变量；但是若从奇地址单元处存放，则需要2个读取周期读取该变量。

• 还有某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据，否则抛出硬件异常给操作系统。

如何内存对齐

对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍。

例如int，short，char…

对于非标准数据类型，比如结构体，要遵循一下对齐原则：

1. 数组成员对齐规则。第一个数组成员应该放在offset为0的地方，以后每个数组成员应该放在offset为min（当前成员的大小，#pargama pack(n)）整数倍的地方开始（比如int在32位机器为４字节，#pargama pack(2)，那么从2的倍数地方开始存储）。
2. 结构体总的大小，也就是sizeof的结果，必须是min（结构体内部最大成员，#pargama pack(n)）的整数倍，不足要补齐。
3. 结构体做为成员的对齐规则。如果一个结构体B里嵌套另一个结构体A,还是以最大成员类型的大小对齐，但是结构体A的起点为A内部最大成员的整数倍的地方。（struct B里存有struct A，A里有char，int，double等成员，那A应该从8的整数倍开始存储。），结构体A中的成员的对齐规则仍满足原则1、原则2。

手动设置对齐模数:

#pragma pack(show)

显示当前packing alignment的字节数，以warning message的形式被显示。

#pragma pack(push) 

将当前指定的packing alignment数组进行压栈操作，这里的栈是the internal compiler stack,同事设置当前的packing alignment为n；如果n没有指定，则将当前的packing alignment数组压栈。

#pragma pack(pop) 

从internal compiler stack中删除最顶端的reaord; 如果没有指定n,则当前栈顶record即为新的packing alignement数值；如果指定了n，则n成为新的packing alignment值

#pragma pack(n)

指定packing的数值，以字节为单位，缺省数值是8，合法的数值分别是1,2,4,8,16。

案例：

看下面两个结构体：

Student

typedef struct _STUDENT {
	int a;
	char b;
	double c;
	float d;
}Student;

a从偏移量0位置开始存储
b从4位置开始存储
c从8位置开始存储
d从12位置开存储
所以Student内部对齐之后的大小为20 ，整体对齐，整体为最大类型的整数倍 也就是8的整数倍 为24

Student2

typedef struct _STUDENT2 {
	char a;
	Student b;
	double c;
}Student2;

a从偏移量为0位置开始
b从偏移量为Student内部最大成员整数倍开始，也就是8开始
c从8的整数倍地方开始,也就是32开始
所以结构体Sutdnet2内部对齐之后的大小为：40 ， 由于结构体中最大成员为8，必须为8的整数倍 所以大小为40

全部测试代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

#pragma pack(4)

typedef struct _STUDENT {
	int a;
	char b;
	double c;
	float d;
}Student;

typedef struct _STUDENT2 {
	char a;
	Student b;
	double c;
}Student2;

void test() {

	//Student
	/*a从偏移量0位置开始存储
	b从4位置开始存储
	c从8位置开始存储
	d从12位置开存储
	所以Student内部对齐之后的大小为20 ，整体对齐，整体为最大类型的整数倍 也就是8的整数倍 为24*/

	printf("sizeof Student:%d\\n", sizeof(Student));

	//Student2 
	/*a从偏移量为0位置开始 
	b从偏移量为Student内部最大成员整数倍开始，也就是8开始
	c从8的整数倍地方开始,也就是32开始
	所以结构体Sutdnet2内部对齐之后的大小为：40 ， 由于结构体中最大成员为8，必须为8的整数倍 所以大小为40*/
	printf("sizeof Student2:%d\\n", sizeof(Student2));
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}