详解结构体、类等内存字节对齐

r囧r小猫 2022-08-18 14:23 147阅读 0赞

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详解结构体、类等内存字节对齐

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先说个题外话：早些年我学C程序设计时，写过一段解释硬盘MBR分区表的代码，对着磁盘编辑器怎么看，怎么对，可一执行，结果就错了。当时调试也不太会，又根本没听过结构体对齐这一说，所以，问题解决不了，好几天都十分纠结。后来万般无奈请教一个朋友，才获悉可能是结构体对齐的事，一查、一改，果真如此。

问题是解决了，可网上的资料多数只提到内存对齐是如何做的，却鲜有提及为什么这样做(即使提，也相当简单)。笔者是个超级健忘者，很难机械式的记住这些破规则，于是仔细想了想，总算明白了原因，这样，这些对齐的规则也就不会再轻易忘记了。

不光结构体存在内存对齐一说，类(对象)也如此，甚至于所有变量在内存中的存储也有对齐一说(只是这些对程序员是透明的，不需要关心)。实际上，这种对齐是为了在空间与复杂度上达到平衡的一种技术手段，简单的讲，是为了在可接受的空间浪费的前提下，尽可能的提高对相同运算过程的最少(快)处理。先举个例子：

假设机器字长是32位的(即4字节，下面示例均按此字长)，也就是说处理任何内存中的数据，其实都是按32位的单位进行的。现在有2个变量：

char A;  
        int B;

假设这2个变量是从内存地址0开始分配的，如果不考虑对齐，应该是这样存储的(见下图,以intel上的little endian为例，为了形象，每16个字节分做一行，后同)：[![234241430.png][]][234241430.png]

因为计算机的字长是4字节的，所以在处理变量A与B时的过程可能大致为：

A:将0x00-0x03共32位读入寄存器，再通过左移24位再右移24位运算得到a的值(或与0x000000FF做与运算)

B:将0x00-0x03这32位读入寄存器，通过位运算得到低24位的值；再将0x04-0x07这32位读入寄存器，通过位运算得到高8位的值；再与最先得到的24位做位运算，才可得到整个32位的值。

上面叙述可知，对a的处理是最简处理，可对b的处理，本身是个32位数，处理的时候却得折成2部分，之后再合并，效率上就有些低了。

想解决这个问题，就需要付出几个字节浪费的代价，改为下图的分配方式：

[![234031687.png][]][234031687.png]

按上面的分配方式，A的处理过程不变；B却简单得多了：只需将0x04-0x07这32位读入寄存器就OK了。

我们可以具体谈结构体或类成员的对齐了：

结构体在编译成机器代码后，其实就没有本身的集合概念了，而类，实际上是个加强版的结构体，类的对象在实例化时，内存中申请的就是一些变量的空间集合(类似于结构体，同时也不包含函数指针)。这些集合中的每个变量，在使用中，都需要涉及上述的加工原则，自然也就需要在效率与空间之间做出权衡。

为了便捷加工连续多个相同类型原始变量，同时简化原始变量寻址，再汇总上述最少处理原则，通常可以将原始变量的长度做为针对此变量的分配单位，比如内存可用64个单元，如果某原始变量长度为8字节，即使机器字长为4字节，分配的时候也以8字节对齐(看似IO次数是相同的)，这样，寻址、分配时，均可以按每8字节为单位进行，简化了操作，也可以更高效。

系统默认的对齐规则，追求的至少两点：1、变量的最高效加工 2、达到目的1的最少空间

举个例子，一个结构体如下：

//by www.datahf.net zhangyu 
        typedef struct T 
        {  
            char c; //本身长度1字节  
            __int64 d;  //本身长度8字节 
            int e;  //本身长度4字节 
            short f;  //本身长度2字节
     
            char g;  //本身长度1字节 
            short h;  //本身长度2字节 
        };

假设定义了一个结构体变量C，在内存中分配到了0x00的位置，显然：

对于成员C.c 无论如何，也是一次寄存器读入，所以先占一个字节。

对于成员C.d 是个64位的变量，如果紧跟着C.c存储，则读入寄存器至少需要3次，为了实现最少的2次读入，至少需要以4字节对齐；同时对于8字节的原始变量，为了在寻址单位上统一，则需要按8字节对齐，所以，应该分配到0x08-0xF的位置。

对于成员C.e 是个32位的变量，自然只需满足分配起始为整数个32位即可，所以分配至0x10-0x13。

对于成员C.f 是个16位的变量，直接分配在0x14-0x16上，这样，反正只需一次读入寄存器后加工，边界也与16位对齐。

对于成员C.g 是个8位的变量，本身也得一次读入寄存器后加工，同时对于1个字节的变量，存储在任何字节开始都是对齐，所以，分配到0x17的位置。

对于成员C.h 是个16位的变量，为了保证与16位边界对齐，所以，分配到0x18-0x1A的位置。

分配图如下(还不正确，耐心读下去)：

[![004003168.png][]][004003168.png]

结构体C的占用空间到h结束就可以了吗?我们找个示例：如果定义一个结构体数组 CA\[2\]，按变量分配的原则，这2个结构体应该是在内存中连续存储的，分配应该如下图：

[![004624736.png][]][004624736.png]

分析一下上图，明显可知，CA\[1\]的很多成员都不再对齐了，究其原因，是结构体的开始边界不对齐。

那结构体的开始偏移满足什么条件才可以使其成员全部对齐呢。想一想就明白了：很简单，保证结构体长度是原始成员最长分配的整数倍即可。  
上述结构体应该按最长的.d成员对齐，即与8字节对齐，这样正确的分配图如下：

[![005212595.png][]][005212595.png]

当然结构体T的长度:sizeof(T)==0x20;

再举个例子，看看在默认对齐规则下，各结构体成员的对齐规则：

//by www.datahf.net zhangyu 
        typedef struct A  
        {  
            char c;  //1个字节 
            int d;  //4个字节，要与4字节对齐，所以分配至第4个字节处 
            short e;  //2个字节， 上述两个成员过后，本身就是与2对齐的，所以之前无填充 
         }; //整个结构体，最长的成员为4个字节，需要总长度与4字节对齐，所以， sizeof(A)==12  
        typedef struct B  
        {  
            char c;  //1个字节 
            __int64 d;  //8个字节，位置要与8字节对齐，所以分配到第8个字节处 
            int e;  //4个字节，成员d结束于15字节，紧跟的16字节对齐于4字节，所以分配到16-19 
            short f;  //2个字节，成员e结束于19字节，紧跟的20字节对齐于2字节，所以分配到20-21 
            A g;  //结构体长为12字节，最长成员为4字节，需按4字节对齐，所以前面跳过2个字节, 
        //到24-35字节处 
            char h;   //1个字节，分配到36字节处 
            int i;   //4个字节，要对齐4字节，跳过3字节，分配到40-43 字节 
        }; //整个结构体的最大分配成员为8字节，所以结构体后面加5字节填充，被到48字节。故： 
        //sizeof(B)==48;

具体的分配图如下：

[![012057204.png][]][012057204.png]

上述全部测试代码如下：

//by www.datahf.net zhangyu 
        #include "stdio.h"  
        typedef struct A  
        {  
            char c;  
            int d;  
            short e;  
          
        };  
        typedef struct B  
        {  
            char c;  
            __int64 d;  
            int e;  
            short f;  
            A g;  
            char h;  
            int i;  
        };  
        typedef struct C  
        {  
            char c;  
            __int64 d;  
            int e;  
            short f;  
            char g;  
            short h;  
        };  
        typedef struct D  
        {  
            char a;  
            short b;  
            char c;  
        };  
        int main()  
        {  
          
            B *b=new B;  
            void *s[32];  
            s[0]=b;  
            s[1]=&b->c;  
            s[2]=&b->d;  
            s[3]=&b->e;  
            s[4]=&b->f;  
            s[5]=&b->g;  
            s[6]=&b->h;  
            s[7]=&b->g.c;  
            s[8]=&b->g.d;  
            s[9]=&b->g.e;  
            s[10]=&b->i;  
            b->c= 0x11;  
            b->d= 0x2222222222222222;  
            b->e= 0x33333333;  
            b->f=0x4444;  
            b->g.c=0x50;  
            b->g.d=0x51515151;  
            b->g.e=0x5252;  
            b->h=0x66;  
            int i1=sizeof(A);  
            int i2=sizeof(B);  
            int i3=sizeof(C);  
            int i4=sizeof(D);  
            printf("i1:%d\ni2:%d\ni3:%d\ni4:%d\n",i1,i2,i3,i4);//12 48 32 6  
        }

运行时的内存情况如下图：

[![013014504.png][]][013014504.png]

最后，简单加工一下转载过来的内存对齐正式原则：

先介绍四个概念：

1)数据类型自身的对齐值：基本数据类型的自身对齐值，等于sizeof(基本数据类型)。

2)指定对齐值：\#pragma pack (value)时的指定对齐值value。

3)结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

4)数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。

有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是 数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整 数倍)

\#pragma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。

如\#pragma pack (1) /\*指定按2字节对齐\*/

\#pragma pack () /\*取消指定对齐，恢复缺省对齐\*/

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[Link 2]: http://blog.51cto.com/tag-%E4%BC%91%E9%97%B2.html
[Link 3]: http://blog.51cto.com/tag-%E8%81%8C%E5%9C%BA.html
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