实例讲解C语言编程中的结构体对齐

 更新时间:2016年04月20日 11:24:07   作者:阿凡卢  
这篇文章主要介绍了C语言编程中的结构体对齐,值得注意的是一些结构体对齐的例子在不同编译器下结果可能会不同,需要的朋友可以参考下

Q:关于结构体的对齐,到底遵循什么原则?
A:首先先不讨论结构体按多少字节对齐,先看看只以1字节对齐的情况:

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

#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(1)

typedef struct
{
  char  sex;
  short  score;
  int   age;
}student;

int main()
{
  PRINT_D(sizeof(student))
  PRINT_D(OFFSET(student,sex))
  PRINT_D(OFFSET(student,score))
  PRINT_D(OFFSET(student,age))
  return 0;
}

输出:

sizeof(student) is 7
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 1
OFFSET(student,age) is 3

可以看到,如果按1字节对齐,那么结构体内部的成员紧密排列,sizeof(char) == 1, sizeof(short) == 2, sizeof(int) == 4.

修改上面的代码, 去掉#pragma pack语句,代码如下:

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

#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct
{
  char  sex;
  short  score;
  int   age;
}student;

int main()
{
  PRINT_D(sizeof(student))
  PRINT_D(OFFSET(student,sex))
  PRINT_D(OFFSET(student,score))
  PRINT_D(OFFSET(student,age))
  return 0;
}

运行结果:

sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

此时,各个成员之间就不像之前那样紧密排列了,而是有一些缝隙。这里需要介绍下对齐原则:

此原则是在没有#pragma pack语句作用时的原则(不同平台可能会有不同):

原则A:struct或者union的成员,第一个成员在偏移0的位置,之后的每个成员的起始位置必须是当前成员大小的整数倍;

原则B:如果结构体A含有结构体成员B,那么B的起始位置必须是B中最大元素大小整数倍地址;

原则C:结构体的总大小,必须是内部最大成员的整数倍;

依据上面3个原则,我们来具体分析下: sex在偏移0处,占1字节;score是short类型,占2字节,score必须以2的整数倍为起始位置,所以它的起始位置为2; age为int类型,大小为4字节,它必须以4的整数倍为起始位置,因为前面有sex占1字节,填充的1字节和score占2字节,地址4已经是4的整数倍,所以age的位置为4.最后,总大小为4的倍数,不用继续填充。

继续修改上面的代码,增加#pragma pack语句:

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

#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(4)

typedef struct
{
  char  sex;
  short  score;
  int   age;
}student;

int main()
{
  PRINT_D(sizeof(student))
  PRINT_D(OFFSET(student,sex))
  PRINT_D(OFFSET(student,score))
  PRINT_D(OFFSET(student,age))
  return 0;
}

运行结果:

sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

具体分析下:

有了#pragma pack(4)语句后,之前说的原则A和C就不适用了。实际对齐原则是自身对齐值(成员sizeof大小)和指定对齐值(#pragma pack指定的对齐大小)的较小者。依次原则,sex依然偏移为0, 自身对齐值为1,指定对齐值为4,所以实际对齐为1; score成员自身对齐值为2,指定对齐值为4,实际对齐为2;所以前面的sex后面将填充一个1字节,然后是score的位置,它的偏移为2;age自身对齐值为4,指定对齐为4,所以实际对齐值为4;前面的sex和score正好占用4字节,所以age接着存放;它的偏移为4.

Q:关于位域的问题,空域到底表示什么?
A:它表示之后的位域从新空间开始。

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

#define PRINT_D(intValue)   printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct 
{
  int a : 1;
  int b : 3;
  int : 0;
  int d : 2;
}bit_info;

int main()
{
  PRINT_D(sizeof(bit_info))
  return 0;
}

运行结果:

sizeof(bit_info) is 8

bit_info中的a, b占用4个字节的前4位,到int:0; 时表示此时将填充余下所有没有填充的位,即刚刚的4个字节的余下28位;int d:2; 将从第四个字节开始填充,又会占用4个字节,所以总大小为8.

再来看下面几个小例子
例1:

struct A{ 
        char f1 : 3; 
        char f2 : 4; 
        char f3 : 5; 
    };

                    a      b          c
A的内存布局:111,1111 *,11111 * * *
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只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。
例2:

struct B{ 
        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++中为2。
例3:

struct C{ 
        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。
考虑一个问题,为什么要设计内存对齐的处理方式呢?如果体系结构是不对齐的,成员将会一个挨一个存储,显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢?体系结构的对齐和不对齐,是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w,那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下,人家就可以跟你解释的,一大堆的道理。
最后顺便提一点,在设计结构体的时候,一般会尊照一个习惯,就是把占用空间小的类型排在前面,占用空间大的类型排在后面,这样可以相对节约一些对齐空间。

相关文章

  • 详解C++编程中表达式的语义与计算顺序

    详解C++编程中表达式的语义与计算顺序

    这篇文章主要介绍了C++编程中表达式的语义与计算顺序,是C++入门学习中的基础知识,需要的朋友可以参考下
    2016-01-01
  • C语言实现输出链表中倒数第k个节点

    C语言实现输出链表中倒数第k个节点

    这篇文章主要介绍了C语言实现输出链表中倒数第k个节点,主要涉及链表的遍历操作,是数据结构中链表的常见操作。需要的朋友可以参考下
    2014-09-09
  • C语言中网络地址与二进制数之间转换的函数小结

    C语言中网络地址与二进制数之间转换的函数小结

    这篇文章主要介绍了C语言中网络地址与二进制数之间转换的函数小结,是C语言入门学习中的基础知识,需要的朋友可以参考下
    2015-09-09
  • C++变量判定的螺旋法则示例详解

    C++变量判定的螺旋法则示例详解

    这篇文章主要给大家介绍了关于C++变量判定的螺旋法则,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家学习或者使用C++具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面来一起学习学习吧
    2019-09-09
  • 关于C++中菱形继承和虚继承的问题总结

    关于C++中菱形继承和虚继承的问题总结

    C++的三大特性为:封装,继承,多态。但是在继承中,存在一些使用方面的问题需要注意,下面这篇文章主要给大家总结介绍了关于C++中菱形继承和虚继承的问题,需要的朋友可以参考借鉴,下面来一起看看吧。
    2017-08-08
  • Cocos2d-x学习笔记之Hello World!

    Cocos2d-x学习笔记之Hello World!

    这篇文章主要介绍了Cocos2d-x学习笔记之Hello World!本文基于vs2010和C++语言开发,需要的朋友可以参考下
    2014-09-09
  • 快速了解Boost.Asio 的多线程模型

    快速了解Boost.Asio 的多线程模型

    这篇文章主要介绍了Boost.Asio 的多线程模型的相关知识,文中代码非常详细,供大家参考和学习,感兴趣的朋友可以了解下
    2020-06-06
  • C++二分查找算法实例

    C++二分查找算法实例

    这篇文章主要为大家详细介绍了C++二分查找算法的实例,具有一定的参考价值,感兴趣的小伙伴们可以参考一下
    2017-08-08
  • c++中八大排序算法

    c++中八大排序算法

    本篇文章主要介绍了八大排序算法,详细的介绍了八个算法思想,实现代码,稳定性,时间复杂度等,具有一定的参考价值,有需要的可以了解一下。
    2016-11-11
  • 浅析C语言中assert的用法

    浅析C语言中assert的用法

    以下是对C语言中assert的使用方法进行了介绍,需要的朋友可以参考下
    2013-07-07

最新评论