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結(jié)構(gòu)體對齊的規(guī)則詳解及C++代碼驗證

更新時間：2021年08月16日 16:42:12 投稿：BJT

在c語言的結(jié)構(gòu)體里面一般會按照某種規(guī)則去進(jìn)行字節(jié)對齊。本文就來介紹一下如何實現(xiàn)，具有一定的參考價值，感興趣的可以了解下

基本概念

CPU一次能讀取多少個字節(jié)的數(shù)據(jù)主要是看數(shù)據(jù)總線是多少位的，16位CPU一次能讀取2個字節(jié)，32位CPU一次能讀取4個字節(jié)，64位CPU一次能讀取8個字節(jié)。并且不能跨內(nèi)存區(qū)間訪問，這句話的意思可以理解為，如果CPU是32位的話，那么可以將整個內(nèi)存區(qū)間每4個字節(jié)分為一塊(BLOCK)，每次讀取一個BLOCK的數(shù)據(jù)。

那么對于下面這個結(jié)構(gòu)體：

struct st {
    char c;
    int i;
};

如果不進(jìn)行對齊操作，char 的地址范圍0x00000000，int的地址范圍為0x00000001----0x00000004,int分布在兩個不同的BLOCK上，因此要讀取int需要兩次操作；如果進(jìn)行4字節(jié)對齊，那么int的地址范圍為0x00000004----0x00000007，處在一個BLOCK上，因此只需一次讀取操作即可。缺點也顯而易見，多占用了3個字節(jié)。這也是典型的一種空間換時間的方法吧。

結(jié)構(gòu)體對齊的規(guī)則

結(jié)構(gòu)體對齊需要滿足以下三條規(guī)則，其中系統(tǒng)對齊模數(shù)在64位機器上默認(rèn)為8字節(jié)，32位機器上默認(rèn)為4字節(jié)。通過預(yù)處理指令#pargma pack(N)可以修改系統(tǒng)模數(shù)為N個字節(jié)。

1、以結(jié)構(gòu)體第一個元素的地址為起始地址，亦即結(jié)構(gòu)體的起始地址。由上可知，第一個元素的偏移量為0；

2、結(jié)構(gòu)體元素對齊原則：結(jié)構(gòu)體成員的對齊模數(shù)為類型大小與系統(tǒng)對齊模數(shù)的較小者；結(jié)構(gòu)體成員的偏移量（填充）為對齊模數(shù)的整數(shù)倍。

3、結(jié)構(gòu)體大小對齊原則：結(jié)構(gòu)體的對齊模數(shù)為結(jié)構(gòu)體最大元素與系統(tǒng)對齊模數(shù)的較小者；結(jié)構(gòu)體的大小（填充）為結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)的整數(shù)倍。

程序驗證

測試環(huán)境為64位Windows ，VS2019，定義結(jié)構(gòu)體st1，包含3個元素char，int，double，定義系統(tǒng)對齊模數(shù)為4個字節(jié)。

#include <iostream>

#pragma pack(4)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    int i;
    double db;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結(jié)構(gòu)體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    return 0;
}

首先我們按照對齊規(guī)則來進(jìn)行分析。第一個元素為char，類型大小為1個字節(jié)，對齊模數(shù)min(1,4)=1，偏移量為0是對齊模數(shù)的整數(shù)倍，無需填充（從這里我們可以看到，第一個字節(jié)偏移量始終為0，是不需要填充的）,下一個元素的偏移從1開始；第二個元素為int，類型大小4個字節(jié)，對齊模數(shù)為4個字節(jié)，不填充時偏移量為1，不是4的整數(shù)倍，因此這里需要填充3個字節(jié)，使得int的偏移量為4，且下一個元素偏移從8開始；第三個元素是double，類型大小為8個字節(jié)，對齊模數(shù)為4，偏移量從8開始，是4的整數(shù)倍，因此無需填充，占用8個字節(jié)，因此結(jié)構(gòu)體的大小為16個字節(jié)。運行程序輸出：

在這里插入圖片描述

將系統(tǒng)對齊模數(shù)修改為1 【#pargma pack(1)】，這樣的話，任何情況下都無需填充（不足一個字節(jié)的類型視為一個字節(jié)），結(jié)構(gòu)體的大小即為結(jié)構(gòu)體元素大小之和。運行程序輸出：

在這里插入圖片描述

將系統(tǒng)對齊模數(shù)修改為8 【#pargma pack(8)】，這樣的話，任何情況下都無需填充（不足一個字節(jié)的類型視為一個字節(jié)），結(jié)構(gòu)體的大小即為結(jié)構(gòu)體元素大小之和。運行程序輸出：

在這里插入圖片描述

Emmm，好像和系統(tǒng)對齊模數(shù)為4時沒什么變化。那我們將int 和 double的順序換一下呢？

#include <iostream>

#pragma pack(8)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    double db;
    int i;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結(jié)構(gòu)體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    return 0;
}

在這里插入圖片描述