结构体对齐详解

结构体对齐详解

1 -- 结构体数据成员对齐的意义

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的起始地址的值是某个数k的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。

比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。

2 -- 结构体对齐包括两个方面的含义

1)结构体总长度；

2)结构体内各数据成员的内存对齐，即该数据成员相对结构体的起始位置；

3 -- 结构体大小的计算方法和步骤

1)将结构体内所有数据成员的长度值相加，记为sum_a；

2)将各数据成员为了内存对齐，按各自对齐模数而填充的字节数累加到和sum_a上，记为sum_b。对齐模数是#pragma pack指定的数值以及该数据成员自身长度中数值较小者。该数据相对起始位置应该是对齐模式的整数倍;

3)将和sum_b向结构体模数对齐，该模数是【#pragma pack指定的数值】、【未指定#pragma pack时，系统默认的对齐模数（32位系统为4字节，64位为8字节）】和【结构体内部最大的基本数据类型成员】长度中数值较小者。结构体的长度应该是该模数的整数倍。

4 -- 结构体大小计算举例

在计算之前，我们首先需要明确的是各个数据成员的对齐模数，对齐模数和数据成员本身的长度以及pragma pack编译参数有关，其值是二者中最小数。如果程序没有明确指出，就需要知道编译器默认的对齐模数值。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基本数据类型的长度和默认对齐模数。

例子1：

struct my_struct

{

char a;

long double b;

};

此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。

在Windows中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对

齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的4倍，不需再次对齐。

综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-1所示。

在Linux中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为12后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的4倍，不需再次对齐。

综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图1-2所示。

例子2：

#pragma pack(2)

struct my_struct

{

char a;

long double b;

};

#pragma pack()

例子1和例子2不同之处在于例子2中使用了#pragma pack(2)编译参数，它强制指定对齐模数是2。此例子Windows和Linux计算方法有些许不一致。

在Windows中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个字节，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。sum_b是2的5倍，不需再次对齐。

综上3步，可知结构体的长度是10B，各数据成员在内存中的分布如图2-1所示。

在Linux中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是2，之前需填充1个

字节，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为2，所以结构体对齐模数是2。sum_b是2的7倍，不需再次对齐。

综上3步，可知结构体的长度是14B，各数据成员在内存中的分布如图2-2所示。

例子3：

struct my_struct

{

char a;

double b;

char c;

};

前两例中，数据成员在Linux和Windows下都相同，例3中double的对齐模数在Linux 中是4，在Windows下是8，针对这种模数不相同的情况加以分析。

在Windows中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是8，之前需填充7个字节，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma pack中较小者，前者为8后者为8，所以结构体对齐模数是8。sum_b应该是8的整数倍，所以要在结构体后填充8*3 - 17 = 7个字节。

综上3步，可知结构体的长度是24B，各数据成员在内存中的分布如图3-1所示。

在Linux中计算步骤如下：

步骤1：所有数据成员自身长度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B

步骤2：数据成员a放在相对偏移0处，之前不需要填充字节；数据成员b为了内存对齐，根据“结构体大小的计算方法和步骤”中第二条原则，其对齐模数是4，之前需填充3个字节，sum_b = sum_a + 3 = 13B

步骤3：按照定义，结构体对齐模数是结构体内部最大数据成员长度和pragma

pack中较小者，前者为8后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b应该是4的整数倍，所以要在结构体后填充4*4 - 13 = 3个字节。

综上3步，可知结构体的长度是16B，各数据成员在内存中的分布如图3-2所示。