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。      char short int long float double long long long double Win-32 长度 1 2 4 4 4 8 8 8 模数 1 2 4 4 4 8 8 8 Linux-32 长度 1 2 4 4 4 8 8 12 模数 1 2 4 4 4 4 4 4 Linux-64 长度 1 2 4 8 4 8 8 16 模数 1 2 4 8 4 8 8 16

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。    例子4：

struct my_struct { char a[11]; int b; char c; };

此例子Windows和Linux计算方法一样，如下：  步骤1：所有数据成员自身长度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B  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 + 1 = 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4后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充4*5 - 17 = 1个字节。  综上3步，可知结构体的长度是20B，各数据成员在内存中的分布如图4所示。    例子5：

struct my_test { int my_test_a; char my_test_b; }; struct my_struct { struct my_test a; double my_struct_a; int my_struct_b; char my_struct_c; };

例子5和前几个例子均不同，在此例子中我们要计算struct my_struct的大小，而my_struct中嵌套了一个my_test结构体。这种结构体应该如何计算呢？原则是将my_test在my_struct中先展开，然后再计算，即是展开成如下结构体：

struct my_struct { int my_test_a; char my_test_b; double my_struct_a; int my_struct_b; char my_struct_c; };

此例子Windows中的计算方法如下：  步骤1：所有数据成员自身长度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B  步骤2：数据成员my_struct_a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3个字节：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B  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是8的整数倍，需在结构体后填充3*8 - 21 = 3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5所示。  此例子Linux中的计算方法如下：  步骤1：所有数据成员自身长度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B，sum_a = 18B  步骤2：数据成员my_struct_a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 = 21B  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4后者为4，所以结构体对齐模数是4。sum_b是4的整数倍，需在结构体后填充6*4 - 21 = 3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5所示。 

5 -- 源代码附录

上面的例子均在Windows(VC++6.0)和Linux(GCC4.1.0)上测试验证。下面是测试程序。

#include <iostream> #include <stdio.h> using namespace std; int main() { cout << "sizeof(char) = " << sizeof(char) << endl; cout << "sizeof(short) = " << sizeof(short) << endl; cout << "sizeof(int) = " << sizeof(int) << endl; cout << "sizeof(long) = " << sizeof(long) << endl; cout << "sizeof(float) = " << sizeof(float) << endl; cout << "sizeof(double) = " << sizeof(double) << endl; cout << "sizeof(long long) = " << sizeof(long long) << endl; cout << "sizeof(long double) = " << sizeof(long double) << endl << endl; // 例子1 { struct my_struct { char a; long double b; }; cout << "exapmle-1: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl; struct my_struct data; printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b); } // 例子2 { #pragma pack(2) struct my_struct { char a; long double b; }; #pragma pack() struct my_struct data; cout << "exapmle-2: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl; printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\n\n", &data.a, &data.b); } // 例子3 { struct my_struct { char a; double b; char c; }; struct my_struct data; cout << "exapmle-3: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << endl; printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data.a, &data.b, &data.c); } // 例子4 { struct my_struct { char a[11]; int b; char c; }; cout << "example-4: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl; struct my_struct data; printf("my_struct->a: %u\nmy_struct->b: %u\nmy_struct->c: %u\n\n", &data, &data.b, &data.c); } // 例子5 { struct my_test { int my_test_a; char my_test_b; }; struct my_struct { struct my_test a; double my_struct_a; int my_struct_b; char my_struct_c; }; cout << "example-5: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << endl; struct my_struct data; printf("my_struct->my_test_a : %u\n" "my_struct->my_test_b : %u\n" "my_struct->my_struct_a: %u\n" "my_struct->my_struct_b: %u\n" "my_struct->my_struct_c: %u\n", &data.a.my_test_a, &data.a.my_test_b, &data.my_struct_a, &data.my_struct_b, &data.my_struct_c); } return 0; } 执行结果：  //Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 28 19:20:26 UTC 2012 (641c197) x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux sizeof(char) = 1 sizeof(short) = 2 sizeof(int) = 4 sizeof(long) = 8 sizeof(float) = 4 sizeof(double) = 8 sizeof(long long) = 8 sizeof(long double) = 16 exapmle-1: sizeof(my_struct) = 32 my_struct->a: 2163695552 my_struct->b: 2163695568 exapmle-2: sizeof(my_struct) = 18 my_struct->a: 2163695680 my_struct->b: 2163695682 exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24 my_struct->a: 2163695648 my_struct->b: 2163695656 my_struct->c: 2163695664 example-4: sizeof(my_struct) = 20 my_struct->a: 2163695616 my_struct->b: 2163695628 my_struct->c: 2163695632 example-5: sizeof(my_struct) = 24 my_struct->my_test_a : 2163695584 my_struct->my_test_b : 2163695588 my_struct->my_struct_a: 2163695592 my_struct->my_struct_b: 2163695600 my_struct->my_struct_c: 2163695604 //Linux localhost 3.4.6-2.10-desktop #1 SMP PREEMPT Thu Jul 26 09:36:26 UTC 2012 (641c197) i686 i686 i386 GNU/Linux sizeof(char) = 1 sizeof(short) = 2 sizeof(int) = 4 sizeof(long) = 4 sizeof(float) = 4 sizeof(double) = 8 sizeof(long long) = 8 sizeof(long double) = 12 exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16 my_struct->a: 3213889904 my_struct->b: 3213889908 exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14 my_struct->a: 3213889890 my_struct->b: 3213889892 exapmle-3: sizeof(my_struct) = 16 my_struct->a: 3213889872 my_struct->b: 3213889876 my_struct->c: 3213889884 example-4: sizeof(my_struct) = 20 my_struct->a: 3213889852 my_struct->b: 3213889864 my_struct->c: 3213889868 example-5: sizeof(my_struct) = 24 my_struct->my_test_a : 3213889828 my_struct->my_test_b : 3213889832 my_struct->my_struct_a: 3213889836 my_struct->my_struct_b: 3213889844 my_struct->my_struct_c: 3213889848 //CYGWIN_NT-6.1 motadou-PC 1.7.20(0.266/5/3) 2013-06-07 11:11 i686 Cygwin sizeof(char) = 1 sizeof(short) = 2 sizeof(int) = 4 sizeof(long) = 4 sizeof(float) = 4 sizeof(double) = 8 sizeof(long long) = 8 sizeof(long double) = 12 exapmle-1: sizeof(my_struct) = 16 my_struct->a: 2272336 my_struct->b: 2272340 exapmle-2: sizeof(my_struct) = 14 my_struct->a: 2272322 my_struct->b: 2272324 exapmle-3: sizeof(my_struct) = 24 my_struct->a: 2272296 my_struct->b: 2272304 my_struct->c: 2272312 example-4: sizeof(my_struct) = 20 my_struct->a: 2272276 my_struct->b: 2272288 my_struct->c: 2272292 example-5: sizeof(my_struct) = 24 my_struct->my_test_a : 2272248 my_struct->my_test_b : 2272252 my_struct->my_struct_a: 2272256 my_struct->my_struct_b: 2272264 my_struct->my_struct_c: 2272268