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1、C+字节对齐知识杂烩1 结构体的sizeof1.1 sizeof的定义先看一个结构体：struct S1 char c; int i;sizeof(s1)在VC6中按默认设置得到的结果为8。我们先看看sizeof的定义sizeof的结果等于对象或者类型所占的内存字节数，好吧，那就让我们来看看S1的内存分配情况：S1 s1 = a, 0xFFFFFFFF ;定义上面的变量后，加上断点，运行程序，观察s1所在的内存，你发现了什么以我的VC6.0(sp6)为例，s1的地址为0x0012FF78，其数据内容如下：0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF发现了什么怎么中间夹杂了
2、3个字节的CC看看MSDN上的说明：When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.原来如此，这就是传说中的字节对齐啊！一个重要的话题出现了。为什么需要字节对齐计算机组成原理教导我们这样有助于加快计算机的取数速度，否则就得多花指令周期了。为此，编译器默认会对结构体进行处理（实际上其它地方的数据变量也是如此），让宽度为2的基本数据类型（short等）都位于能被2整除的地址上，让宽度
3、为4的基本数据类型（int等）都位于能被4整除的地址上，以此类推。这样，两个数中间就可能需要加入填充字节，所以整个结构体的sizeof值就增长了。让我们交换一下S1中char与int的位置：struct S2 int i; char c;看看sizeof(S2)的结果为多少，怎么还是8再看看内存，原来成员c后面仍然有3个填充字节，这又是为什么啊别着急，下面总结规律。1.2 sizeof准则字节对齐的细节和编译器实现相关，但一般而言，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）都是成员大小的整数倍，如有
4、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）。对于上面的准则，有几点需要说明：1) 前面不是说结构体成员的地址是其大小的整数倍，怎么又说到偏移量了呢因为有了第1点存在，所以我们就可以只考虑成员的偏移量，这样思考起来简单。想想为什么。结构体某个成员相对于结构体首地址的偏移量可以通过宏offsetof()来获得，这个宏也在stddef.h中定义，如下：#define offsetof(s,m) (size_t)&(s *)0)-m)解
5、释：(s *)0为申请一个s变量，从0位置为其分配内存（安装结构的定义）。例如，想要获得S2中c的偏移量，方法为size_t pos = offsetof(S2, c);/ pos等于42) 基本类型是指前面提到的像char、short、int、float、double这样的内置数据类型，这里所说的“数据宽度”就是指其sizeof的大小。由于结构体的成员可以是复合类型，比如另外一个结构体，所以在寻找最宽基本类型成员时，应当包括复合类型成员的子成员，而不是把复合成员看成是一个整体。但在确定复合类型成员的偏移位置时则是将复合类型作为整体看待。这里叙述起来有点拗口，思考起来也有点挠头，还是让我们看看
6、例子吧（具体数值仍以VC6为例，以后不再说明）：struct S3 char c1; S1 s; char c2;S1的最宽简单成员的类型为int，S3在考虑最宽简单类型成员时是将S1“打散”看的，所以S3的最宽简单类型为int，这样，通过S3定义的变量，其存储空间首地址需要被4整除，整个sizeof(S3)的值也应该被4整除。c1的偏移量为0，s的偏移量呢这时s是一个整体，它作为结构体变量也满足前面三个准则，所以其大小为8，偏移量为4，c1与s之间便需要3个填充字节，而c2与s之间就不需要了，所以c2的偏移量为12，算上c2的大小为13，13是不能被4整除的，这样末尾还得补上3个填充字节。最
7、后得到sizeof(S3)的值为16。通过上面的叙述，我们可以得到一个公式：结构体的大小等于最后一个成员的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字节数目，即：sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )1.3 pack指令到这里，朋友们应该对结构体的sizeof有了一个全新的认识，但不要高兴得太早，有一个影响sizeof的重要参量还未被提及，那便是编译器的pack指令。它是用来调整结构体对齐方式的，不同编译器名称和用法略有不同，VC6中通过#pragma pack
8、实现，也可以直接修改/Zp编译开关。#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。如果这个值比所有结构体成员的sizeof值小，那么该成员的偏移量应该以此值为准，即是说，结构体成员的偏移量应该取二者的最小值，公式如下：offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式。第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对
9、齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数；否则必须为n的倍数。即为二者中的较小者的倍数。再看示例：#pragma pack(push) / 将当前pack设置压栈保存#pragma pack(2)/ 必须在结构体定义之前使用struct S1 char c; int i;struct S3 char c1; S1 s; char c2;#pragma pack(pop) / 恢复先前的pack设置计算sizeof(S1)时，min(2, sizeof(i)的值为2，所以i的偏移量为2
10、，加上sizeof(i)等于6，能够被2整除，所以整个S1的大小为6。同样，对于sizeof(S3)，s的偏移量为2，c2的偏移量为8，加上sizeof(c2)等于9，不能被2整除，添加一个填充字节，所以sizeof(S3)等于10。现在，朋友们可以轻松的出一口气了，:)1.4 空结构体还有一点要注意，“空结构体”（不含数据成员）的大小不为0，而是1。试想一个“不占空间”的变量如何被取地址、两个不同的“空结构体”变量又如何得以区分呢于是，“空结构体”变量也得被存储，这样编译器也就只能为其分配一个字节的空间用于占位了。如下：struct S5 ;sizeof( S5 ); / 结果为12 含位域
11、结构体的sizeof:前面已经说过，位域成员不能单独被取sizeof值，我们这里要讨论的是含有位域的结构体的sizeof，只是考虑到其特殊性而将其专门列了出来。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。2.1 规则使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍
12、；3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C+采取压缩方式；4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。2.2 实例还是让我们来看看例子。2.2.1 示例1：struct BF1 char f1 : 3; char f2 : 4; char f3 : 5;其内存布局为： |_f1_|_f2_ |_|_f3_|_| |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一
13、个字节开始。因此sizeof(BF1)的结果为2。2.2.2 示例2：struct BF2 char f1 : 3; short f2 : 4; char f3 : 5;由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C+（Linux）中为2。2.2.3 示例3：struct BF3 char f1 : 3; char f2; char f3 : 5;非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C+中得到的大小均为3。2.2.4 示例4：Intel和微软和本公司同时出现的面试题#pragma pack(8)struct s1short a;long b;struct s
14、2char c;s1 d;long long e;#pragma pack()问 1.sizeof(s2) = ?2.s2的c后面空了几个字节接着是d?答：sizeof(S2)结果为24。s2的c后面空了3个字节接着是d。分析：成员对齐有一个重要的条件，即每个成员分别对齐，即每个成员按自己的方式对齐。也就是说上面虽然指定了按8字节对齐，但并不是所有的成员都是以8字节对齐。其对齐的规则是：每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。S1中，成员a是1字节默认按1字节对齐，指定对
15、齐参数为8，这两个值中取1，a按1字节对齐；成员b是4个字节，默认是按4字节对齐，这时就按4字节对齐，所以sizeof(S1)应该为8。S2中，c和S1中的a一样，按1字节对齐，而d 是个结构，它是8个字节，它按什么对齐呢？对于结构来说，它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个，S1的就是4，所以，成员d就是按4字节对齐。成员e是8个字节，它是默认按8字节对齐，和指定的一样，所以它对到8字节的边界上，这时，已经使用了12个字节了，所以又添加了4个字节的空，从第16个字节开始放置成员e。这时，长度为24，已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节。 a bS1的内存布局：11*,1111,
