紧缩对齐(#pragma pack(n))专题分析

第15道题测试紧缩对齐(packing alignment)概念,其中【1】和【3】12字节；【2】9字节;大多数人都误解了所有的成员都是以#pragma pack (n)字节对齐,其默认对齐也不是两个字节,干建的文章分析的不是很正确,其实对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(这个类型的大小)和指定对齐参数(#pragma pack (n))中较小的一个对齐,并且结构的长度必须为结构成员中最长长度的整数倍,不够就补空字节(其中n可以为1, 2, 4, 8,或者16),总体上分两步走就可以计算出结构的长度;

这里有四点很重要:

1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度

2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度.

3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐

4.不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64..….中一个的整数倍.

下面先从例子和C编译器对结构空间缺省的分配入手,最后分析上述试题;下面所有分析是基于32位的CPU;int为4个字节,short为两个字节,long为4个字节,double为8个字节.

例子[1]:

#pragma pack(4)

typedef struct

{

int aa;

char a;

short b;

char c;

}CPerf4;

#pragma pack(2)

typedef struct

{

char a;

short b;

char c;

}CPerf5;

sizeof(CPerf4)结果为12，CPerf5去掉第一个成员变量, sizeof(CPerf5)为6

#pragma pack规定的对齐长度，实际可以使用规则分两步走：

◆[1] 结构，联合，或者C++中类的数据成员，第一个数据成员放在偏移为0的地方，以

后每个数据成员的对齐，按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中最小的那个进行。也就是说，当的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个#pragma pack(n)值的大小将不产生任何效果。

◆[2] 结构整体的对齐，则按照结构体中最大的数据成员和#pragma pack指定值之间

最小的那个进行。

具体解释如下: #pragma pack(4) typedef struct {

int aa; /*第一个成员，放在[0,3]偏移的位置*/

char a;/*第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以

这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置*/

short b;/*第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所

以放在偏[6,7]的位置*/

char c; /*第四个，自身长为1，放在[8]的位置*/ }CPerf4;

内存布局示意图(白色框为填充字节)

偏移量

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

这个结构实际占据的内存空间是9字节,结构之间的对齐，是按照结构内部最大的成员的长度，和#pragma pack 规定的值之中较小的一个对齐的。所以这个例子中，结构之间对齐的长度是min(sizeof(int),4)，也就是4; 9按照4字节对齐(4的倍数)的结果是12，填充3个字节所以sizeof(CPerf4)是12。

#pragma pack(2) typedef struct {

char a; /*第一个成员，放在[0]偏移的位置*/

short b;/*第二个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以

放在偏移[2,3]的位置。*/

char c; /*第三个，自身长为1，放在[4]的位置。*/ }CPerf5

内存布局示意图(白色框为填充字节)

整个结构的大小是5字节，按照min(sizeof(short),2)字节对齐，也就是2字节对齐，结果是6,所以sizeof(CPerf5)是6。

对例子[1]中的第一个结构改为按2字节对齐，9按2对齐的结果是10 #pragma pack(2) typedef struct {

int aa; /*第一个成员，放在[0,3]偏移的位置*/

char a;/*第二个成员，自身长为1，#pragma pack(2),取小值，也就是1，所以

这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。*/

short b;/*第三个成员，自身长2，#pragma pack(2)，取2，按2字节对齐，所

以放在偏移[6,7]的位置。*/

1 2 3 4 5 偏移量

char c; /*第四个，自身长为1，放在[8]的位置。*/ };

内存布局示意图(白色框为填充字节)

例子[2]:

#pragma pack(8) struct s1 {

short a; long b; }; struct s2 {

char c; struct s1 d; double e; };

S1内存布局示意图(

偏移量

1 2 3 4 5 6 7 8 9 偏移量

1 2 3 4 5 6 7

S2内存布局示意图(白色框为填充字节)

16 17 18 19 20 21 22 23 4 5 6 7 8 9 10 11 偏移量

12 13 14 15 0

1 2 3

S1中,成员a 是2字节,默认按2字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取2,a 按2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 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,按照两步走的方法,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.

C 编译器对结构空间缺省的分配

在C 语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int 、long 、float 等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对齐（alignment ）条件分配空间；各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。在缺省情况下，C 编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对齐条件分配空间,在Windows 和pSOS 下的编译器,默认自然对齐,整个结构对齐方法按照结构成员中的最大长度对齐.

例如，下面的结构各成员空间分配情况如下图所示： struct test { char x1; short x2; float x3; char x4; };

内存布局示意图(白色框为填充字节)

偏移量

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short 类型，其起始地址必须2字节对齐，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test 结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test 结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。 如果将X2的类型换为int 类型,大家可以再进一步想想内存布局的结果?

试题分析 【1】内存布局示意图

typedef struct {

unsigned short wItemOne; /*变量One 为两个字节,按照2自然对齐,占用[0,1]*/

unsigned long dwItemTwo;/*变量Two 为四个字节,按照4自然对齐,占用[4,7],填充[2,3]字节*/ unsigned char bItemThree;/* 变量Three 为1个字节,按照1自然对齐,占用[8]*/ unsigned char bItemFour; /* 变量Foure 为1个字节,按照1自然对齐,占用[9]*/ unsigned char bItemFive; /* 变量Five 为1个字节,按照1自然对齐,占用[10]*/ } CPerf1;

整个结构占用11个字节,结构对齐按照成员中最大长度(4)对齐,11对齐4为12,所以再填充一个字节,所以sizeof(CPerf1)为12

1 2 3 4 5 6 7 变量8 9 10 11 偏移量

【2】内存布局示意图

#pragma pack(1) typedef struct {

unsigned short wItemOne; /*变量One 为两个字节,#pragma pack(1),取最小值1,按照1,占用

[0,1]*/

unsigned long dwItemTwo;/*变量Two 为四个字节,#pragma pack(1),取最小值1,按照1对齐,占

用[2,5]

unsigned char bItemThree;/* 变量Three 为1个字节,按照1对齐,占用[6]*/ unsigned char bItemFour; /* 变量Foure 为1个字节,按照1对齐,占用[7]*/ unsigned char bItemFive; /* 变量Five 为1个字节,按照1对齐,占用[8]*/ } CPerf1;

整个结构占用11个字节,结构对齐按照成员中最大长度(4)对齐,11对齐4为12,所以再填充一个字节,所以sizeof(CPerf1)为12

【3】#如果#pragma pack(n)中的n>=结构中成员的最大长度, pragma pack 其实没有起到作用,所以它的内存布局与[1]一样,但是分析的过程是不一样的.

1 2 3 4 5 6 7 变量8 偏移量