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講解C語言編程中的結構體對齊

時間:2024-09-14 04:38:54 C語言 我要投稿
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講解C語言編程中的結構體對齊

  Q:關于結構體的對齊,到底遵循什么原則?

  A:首先先不討論結構體按多少字節對齊,先看看只以1字節對齊的情況:

  #include#include#define PRINT_D(intValue) printf(#intValue" is %dn", (intValue));#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)#pragma pack(1)typedef struct{ char sex; short score; int age;}student;int main(){ PRINT_D(sizeof(student)) PRINT_D(OFFSET(student,sex)) PRINT_D(OFFSET(student,score)) PRINT_D(OFFSET(student,age)) return 0;}

  輸出:

  sizeof(student) is 7OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 1OFFSET(student,age) is 3

  可以看到,如果按1字節對齊,那么結構體內部的成員緊密排列,sizeof(char) == 1, sizeof(short) == 2, sizeof(int) == 4.

  修改上面的代碼, 去掉#pragma pack語句,代碼如下:

  #include#include#define PRINT_D(intValue) printf(#intValue" is %dn", (intValue));#define OFFSET(struct,member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)typedef struct{ char sex; short score; int age;}student;int main(){ PRINT_D(sizeof(student)) PRINT_D(OFFSET(student,sex)) PRINT_D(OFFSET(student,score)) PRINT_D(OFFSET(student,age)) return 0;}

  運行結果:

  sizeof(student) is 8OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 2OFFSET(student,age) is 4

  此時,各個成員之間就不像之前那樣緊密排列了,而是有一些縫隙。這里需要介紹下對齊原則:

  此原則是在沒有#pragma pack語句作用時的原則(不同平臺可能會有不同):

  原則A:struct或者union的成員,第一個成員在偏移0的位置,之后的每個成員的起始位置必須是當前成員大小的整數倍;

  原則B:如果結構體A含有結構體成員B,那么B的起始位置必須是B中最大元素大小整數倍地址;

  原則C:結構體的總大小,必須是內部最大成員的整數倍;

  依據上面3個原則,我們來具體分析下: sex在偏移0處,占1字節;score是short類型,占2字節,score必須以2的整數倍為起始位置,所以它的起始位置為2; age為int類型,大小為4字節,它必須以4的整數倍為起始位置,因為前面有sex占1字節,填充的1字節和score占2字節,地址4已經是4的整數倍,所以age的位置為4.最后,總大小為4的倍數,不用繼續填充。

  繼續修改上面的代碼,增加#pragma pack語句:

  #include#include#define PRINT_D(intValue) printf(#intValue" is %dn", (intValue));#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)#pragma pack(4)typedef struct{ char sex; short score; int age;}student;int main(){ PRINT_D(sizeof(student)) PRINT_D(OFFSET(student,sex)) PRINT_D(OFFSET(student,score)) PRINT_D(OFFSET(student,age)) return 0;}

  運行結果:

  sizeof(student) is 8OFFSET(student,sex) is 0OFFSET(student,score) is 2OFFSET(student,age) is 4

  具體分析下:

  有了#pragma pack(4)語句后,之前說的原則A和C就不適用了。實際對齊原則是自身對齊值(成員sizeof大小)和指定對齊值(#pragma pack指定的對齊大小)的較小者。依次原則,sex依然偏移為0, 自身對齊值為1,指定對齊值為4,所以實際對齊為1; score成員自身對齊值為2,指定對齊值為4,實際對齊為2;所以前面的sex后面將填充一個1字節,然后是score的位置,它的偏移為2;age自身對齊值為4,指定對齊為4,所以實際對齊值為4;前面的sex和score正好占用4字節,所以age接著存放;它的偏移為4.

  Q:關于位域的問題,空域到底表示什么?

  A:它表示之后的位域從新空間開始。

  #include#include#define PRINT_D(intValue) printf(#intValue" is %dn", (intValue));#define OFFSET(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)typedef struct { int a : 1; int b : 3; int : 0; int d : 2;}bit_info;int main(){ PRINT_D(sizeof(bit_info)) return 0;}

  運行結果:

  sizeof(bit_info) is 8

  bit_info中的a, b占用4個字節的前4位,到int:0; 時表示此時將填充余下所有沒有填充的位,即剛剛的4個字節的余下28位;int d:2; 將從第四個字節開始填充,又會占用4個字節,所以總大小為8.

  再來看下面幾個小例子

  例1:

  struct A{ char f1 : 3; char f2 : 4; char f3 : 5; };

  a b c

  A的內存布局:111,1111 *,11111 * * *

  位域類型為char,第1個字節僅能容納下f1和f2,所以f2被壓縮到第1個字節中,而f3只能從下一個字節開始。因此sizeof(A)的結果為2。

  例2:

  struct B{ char f1 : 3; short f2 : 4; char f3 : 5; };

  由于相鄰位域類型不同,在VC6中其sizeof為6,在Dev-C++中為2。

  例3:

  struct C{ char f1 : 3; char f2; char f3 : 5; };

  非位域字段穿插在其中,不會產生壓縮,在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

  考慮一個問題,為什么要設計內存對齊的處理方式呢?如果體系結構是不對齊的,成員將會一個挨一個存儲,顯然對齊更浪費了空間。那么為什么要使用對齊呢?體系結構的對齊和不對齊,是在時間和空間上的一個權衡。對齊節省了時間。假設一個體系結構的字長為w,那么它同時就假設了在這種體系結構上對寬度為w的數據的處理最頻繁也是最重要的。它的設計也是從優先提高對w位數據操作的效率來考慮的。有興趣的可以google一下,人家就可以跟你解釋的,一大堆的道理。

  最后順便提一點,在設計結構體的時候,一般會尊照一個習慣,就是把占用空間小的類型排在前面,占用空間大的類型排在后面,這樣可以相對節約一些對齊空間。

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