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C/C++ 字节对齐问题

时间:09-09-11 栏目:系统技术篇 作者:鲁智森也有文化 评论:0 点击: 1,796 次

VC中下面几个结构体大小分别是多少呢
struct MyStruct
{
    double m4;
    char m1;
    int m3;
};

struct MyStruct {
    char m1;
    double m4;
    int m3;
};

#pragma pack(push)   //保存对齐状态
#pragma pack(16)      //设置为16字节对齐
struct test
{
   char m1;
   int m3;
   double m4;    
};
#pragma pack(pop)//恢复对齐状态

如果你的答案不是16,24和16,相信下面的内容对你很有帮助。

1、sizeof应用在结构上的情况
请看下面的结构:
struct MyStruct
{
    double dda1;
    char dda;
    int type
};
对结构MyStruct采用sizeof会出现什么结果呢?sizeof(MyStruct)为多少呢?也许你
会这样求:
sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13
但是当在VC中测试上面结构的大小时,你会发现sizeof(MyStruct)为16。你知道为什
么在VC中会得出这样一个结果吗?
其实,这是VC对变量存储的一个特殊处理。为了提高CPU的存储速度,VC对一些变量的
起始地址做了“对齐”处理

        在默认情况下,VC规定结构体各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数

下面列出常用类型的对齐方式(vc6.0,32位系统)。
类型           对齐方式(变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量)
Char          偏移量必须为sizeof(char)即1的倍数
Short         偏移量必须为sizeof(short)即2的倍数
int      偏移量必须为sizeof(int)即4的倍数
float 偏移量必须为sizeof(float)即4的倍数
double 偏移量必须为sizeof(double)即8的倍数
各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间,同时按照上面的对
齐方式调整位置,空缺的字节VC会自动填充。

         同时VC为了确保结构的大小为结构的字节边界数(即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数)的倍数,所以在为最后一个成员变量申请空间后,还会根据需要自动填充空缺的字节。
下面用前面的例子来说明VC到底怎么样来存放结构的。
struct MyStruct
{
    double dda1;
    char dda;
    int type
};


为上面的结构分配空间的时候,VC根据成员变量出现的顺序和对齐方式,先为第一个
成员dda1分配空间,其起始地址跟结构的起始地址相同(刚好偏移量0刚好为sizeof(double)的倍数),该成员变量占用sizeof(double)=8个字节;接下来为第二个成员dda分配空间,这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为8,是sizeof(char)的倍数,所以把dda存放在偏移量为8的地方满足对齐方式,该成员变量占用 sizeof(char)=1个字节;接下来为第三个成员type分配空间,这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为9,不是sizeof (int)=4的倍数,为了满足对齐方式对偏移量的约束问题,VC自动填充3个字节(这三个字节没有放什么东西),这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为12,刚好是sizeof(int)=4的倍数,所以把type存放在偏移量为12的地方,该成员变量占用sizeof(int)=4个字节;这时整个结构的成员变量已经都分配了空间,总的占用的空间大小为:8+1+3+4=16,刚好为结构的字节边界数(即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8)的倍数,所以没有空缺的字节需要填充。所以整个结构的大小为:sizeof(MyStruct)=8+1+ 3+4=16,其中有3个字节是VC自动填充的,没有放任何有意义的东西。

下面再举个例子,交换一下上面的MyStruct的成员变量的位置,使它变成下面的情况
struct MyStruct
{
    char dda;
    double dda1;
    int type
};
这个结构占用的空间为多大呢?在VC6.0环境下,可以得到sizeof(MyStruc)为24。结
合上面提到的分配空间的一些原则,分析下VC怎么样为上面的结构分配空间的。(简单说明)
struct MyStruct
{
char dda;           //偏移量为0,满足对齐方式,dda占用1个字节;
double dda1;     //下一个可用的地址的偏移量为1,不是sizeof(double)=8
                           //的倍数,需要补足7个字节才能使偏移量变为8(满足对齐
                           //方式),因此VC自动填充7个字节,dda1存放在偏移量为8
                           //的地址上,它占用8个字节。
int type;          //下一个可用的地址的偏移量为16,是sizeof(int)=4的倍
                          //数,满足int的对齐方式,所以不需要VC自动填充,type存
                            //放在偏移量为16的地址上,它占用4个字节。
};    //所有成员变量都分配了空间,空间总的大小为1+7+8+4=20,不是结构
         //的节边界数(即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof
       //(double)=8)的倍数,所以需要填充4个字节,以满足结构的大小为
         //sizeof(double)=8的倍数。
所以该结构总的大小为:sizeof(MyStruc)为1+7+8+4+4=24。其中总的有7+4=11个字节
是VC自动填充的,没有放任何有意义的东西。


VC对结构的存储的特殊处理确实提高CPU存储变量的速度,但是有时候也带来了一些麻
烦,我们也可以屏蔽掉变量默认的对齐方式,自己可以设定变量的对齐方式。
VC 中提供了 #pragma pack(n) 设定变量以n字节对齐方式(n一般取1、2、4、8、16)。n字节对齐就是说变量存
放的起始地址的偏移量有两种情况:第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数,那么偏移量必须满足默认的对齐方式,第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数,那么偏移量为n的倍数,不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件,分下面两种情况:如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数,那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数; 否则必须为n的倍数。下面举例说明其用法。


#pragma pack(push) //保存对齐状态
#pragma pack(4)//设定为4字节对齐
struct test
{
     char m1;
     double m4;
    int m3;
};
#pragma pack(pop)//恢复对齐状态

以上结构的大小为16,下面分析其存储情况,首先为m1分配空间,其偏移量为0,满足我们自己设定的对齐方式(4字节对齐),m1占用1个字节。接着开始为 m4分配空间,这时其偏移量为1,需要补足3个字节,这样使偏移量满足为n=4的倍数(因为sizeof(double)大于n),m4占用8个字节。接着为m3分配空间,这时其偏移量为12,满足为4的倍数,m3占用4个字节。这时已经为所有成员变量分配了空间,共分配了16个字节,满足为n的倍数。如果把上面的#pragma pack(4)改为#pragma pack(16),那么我们可以得到结构的大小为24。(请读者自己分析)

2、sizeof用法总结

在VC中,sizeof有着许多的用法,而且很容易引起一些错误。下面根据sizeof后面的参数对sizeof的用法做个总结。
A.参数为数据类型或者为一般变量

例如sizeof(int),sizeof(long)等等。这种情况要注意的是不同系统系统或者不同编译器得到的结果可能是不同的。例如int类型在16位系统中占2个字节,在32位系统中占4个字节。
B.参数为数组或指针

下面举例说明.
int a[50];        //sizeof(a)=4*50=200; 求数组所占的空间大小
int *a=new int[50];     // sizeof(a)=4; a为一个指针,sizeof(a)是求指针
                                   //的大小,在32位系统中,当然是占4个字节。
C.参数为结构或类

Sizeof应用在类和结构的处理情况是相同的。但有两点需要注意,第一、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响,因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关。 第二、没有成员变量的结构或类的大小为1,因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。
下面举例说明,
class Test{ int a; static double c; };          //sizeof(Test)=4.
Test *s;          //sizeof(s)=4,s为一个指针。
class test1{ };        //sizeof(test1)=1;


D.参数为其他

下面举例说明。
int func(char s[5]);
{
cout< <         //数的参数在传递的时候系统处理为一个指针,所
                   //以sizeof(s)实际上为求指针的大小。
return 1;
}
sizeof(func(“1234”))=4     //因为func的返回类型为int,所以相当于
                                           //求sizeof(int).
以上为sizeof的基本用法,在实际的使用中要注意分析VC的分配变量的分配策略,这
样的话可以避免一些错误 。


 

关于字节对齐,我的理解是这样的:
字节对齐的作用不仅是便于cpu快速访问,同时合理的利用字节对齐可以有效地节省存储空间
对于32位机来说,4字节对齐能够使cpu访问速度提高,比如说一个long类型的变量,如果跨越了4字节边界存储,那么cpu要读取两次,这样效率就低了。但是在32位机中使用1字节或者2字节对齐,反而会使CPU访问速度降低。所以这要考虑处理器类型,另外还得考虑编译器的类型。在vc中默认是4字节对齐的

我个人觉得字节对齐最大的作用是节省存储空间。这对于一个应用比较少的结构不是特别明显,但如果在堆上一次性分配数万个结构体,合理的利用字节对齐能节省下来的存储空间是可观的。

我们还可以动态的对齐字节.用下面的方式进行
#pragma pack(push, 1)
.....
#parama pack(pop)
上面预编译中的存储分配将按一个字节对齐.

声明: 本文由( 鲁智森也有文化 )原创编译,转载请保留链接: C/C++ 字节对齐问题

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