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C语言中的结构体对齐 实例讲解C语言编程中的结构体对齐

阿凡卢 人气:0
想了解实例讲解C语言编程中的结构体对齐的相关内容吗,阿凡卢在本文为您仔细讲解C语言中的结构体对齐的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:C语言,结构体,结构体对齐,struct,下面大家一起来学习吧。

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。

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