C struct 中字節對齊問題

C struct 中字節對齊問題

規則:

1. 其實，這是VC對變量存儲的一個特殊處理。爲了提升CPU的存儲速度，VC對一些變量的起始地址作了「對齊」處理。在默認狀況下，VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須爲該變量的類型所佔用的字節數的倍數。各成員變量在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間，同時按照上面的對齊方式調整位置，空缺的字節VC會自動填充。同時VC爲了確保結構的大小爲結構的字節邊界數（即該結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數）的倍數，因此在爲最後一個成員變量申請空間後，還會根據須要自動填充空缺的字節。

2. 天然對界:(natural alignment)即默認對齊方式，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

3. 指定對界:通常地，能夠經過下面的方法來改變缺省的對界條件：

· 使用僞指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個字節對齊；
· 使用僞指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。

注意：若是#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size，則其不起做用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須知足爲n的倍數

VC中下面幾個結構體大小分別是多少呢
struct MyStruct
{
double m4;
char m1;
int m3；
};

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

#pragmapack(push)//保存對齊狀態
#pragma pack(16) //設置爲16字節對齊
struct test
{
char m1;
int m3;
doublem4;
};
#pragma pack(pop)//恢復對齊狀態
若是你的答案不是16，24和16，相信下面的內容對你頗有幫助。

1、 sizeof應用在結構上的狀況
請看下面的結構：
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
};
對結構MyStruct採用sizeof會出現什麼結果呢？sizeof(MyStruct)爲多少呢？也許你會這樣求：
sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13
可是當在VC中測試上面結構的大小時，你會發現sizeof(MyStruct)爲16。你知道爲何在VC中會得出這樣一個結果嗎？
其實，這是VC對變量存儲的一個特殊處理。爲了提升CPU的存儲速度，VC對一些變量的起始地址作了「對齊」處理。在默認狀況下，VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須爲該變量的類型所佔用的字節數的倍數。下面列出經常使用類型的

對齊方式(vc6.0,32位系統)。
類型對齊方式（變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量）
char 偏移量必須爲sizeof(char)即1的倍數
short 偏移量必須爲sizeof(short)即2的倍數
int 偏移量必須爲sizeof(int)即4的倍數
float 偏移量必須爲sizeof(float)即4的倍數
double 偏移量必須爲sizeof(double)即8的倍數
各成員變量在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間，同時按照上面的對齊方式調整位置，空缺的字節VC會自動填充。同時VC爲了確保結構的大小爲結構的字節邊界數（即該結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數）的倍數，因此在爲最後一個成員變量申請空間後，還會根據須要自動填充空缺的字節。
下面用前面的例子來講明VC到底怎麼樣來存放結構的。
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
}；
爲上面的結構分配空間的時候，VC根據成員變量出現的順序和對齊方式，先爲第一個成員dda1分配空間，其起始地址跟結構的起始地址相同（恰好偏移量0恰好爲sizeof(double)的倍數），該成員變量佔用sizeof(double)=8個字節；接下來爲第二個成員dda分配空間，這時下一個能夠分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲8，是sizeof(char)的倍數，因此把dda存放在偏移量爲8的地方知足對齊方式，該成員變量佔用 sizeof(char)=1個字節；接下來爲第三個成員type分配空間，這時下一個能夠分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲9，不是sizeof (int)=4的倍數，爲了知足對齊方式對偏移量的約束問題，VC自動填充3個字節（這三個字節沒有放什麼東西），這時下一個能夠分配的地址對於結構的起始地址的偏移量爲12，恰好是sizeof(int)=4的倍數，因此把type存放在偏移量爲12的地方，該成員變量佔用sizeof(int)=4個字節；這時整個結構的成員變量已經都分配了空間，總的佔用的空間大小爲：8+1+3+4=16，恰好爲結構的字節邊界數（即結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數sizeof(double)=8）的倍數，因此沒有空缺的字節須要填充。因此整個結構的大小爲：sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16，其中有3個字節是VC自動填充的，沒有聽任何有意義的東西。
下面再舉個例子，交換一下上面的MyStruct的成員變量的位置，使它變成下面的狀況：
struct MyStruct
{
char dda;
double dda1;
int type
}；
這個結構佔用的空間爲多大呢？在VC6.0環境下，能夠獲得sizeof(MyStruc)爲24。結合上面提到的分配空間的一些原則，分析下VC怎麼樣爲上面的結構分配空間的。（簡單說明）
struct MyStruct
{
char dda; //偏移量爲0，知足對齊方式，dda佔用1個字節；
double dda1; //下一個可用的地址的偏移量爲1，不是sizeof(double)=8的倍數，須要補足7個字節才能使偏移量變爲8（知足對齊方式），所以VC自動填充7個字節，dda1存放在偏移量爲8的地址上，它佔用8個字節。
int type； //下一個可用的地址的偏移量爲16，是sizeof(int)=4的倍數，知足int的對齊方式，因此不須要VC自動填充，type存放在偏移量爲16的地址上，它佔用4個字節。
}；

全部成員變量都分配了空間，空間總的大小爲1+7+8+4=20，不是結構的節邊界數（即結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數sizeof(double)=8）的倍數，因此須要填充4個字節，以知足結構的大小爲sizeof(double)=8的倍數。
因此該結構總的大小爲：sizeof(MyStruc)爲1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個字節是VC自動填充的，沒有聽任何有意義的東西。
VC對結構的存儲的特殊處理確實提升CPU存儲變量的速度，可是有時候也帶來了一些麻煩，咱們也屏蔽掉變量默認的對齊方式，本身能夠設定變量的對齊方式。
VC 中提供了#pragma pack(n)來設定變量以n字節對齊方式。n字節對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種狀況：第1、若是n大於等於該變量所佔用的字節數，那麼偏移量必須知足默認的對齊方式，第2、若是n小於該變量的類型所佔用的字節數，那麼偏移量爲n的倍數，不用知足默認的對齊方式。結構的總大小也有個約束條件，分下面兩種狀況

：若是n大於全部成員變量類型所佔用的字節數，那麼結構的總大小必須爲佔用空間最大的變量佔用的空間數的倍數；不然必須爲n的倍數。下面舉例說明其用法。
#pragma pack(push) //保存對齊狀態
#pragma pack(4)//設定爲4字節對齊
struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
#pragma pack(pop)//恢復對齊狀態

以上結構的大小爲16，下面分析其存儲狀況，首先爲m1分配空間，其偏移量爲0，知足咱們本身設定的對齊方式（4字節對齊），m1佔用1個字節。接着開始爲 m4分配空間，這時其偏移量爲1，須要補足3個字節，這樣使偏移量知足爲n=4的倍數（由於sizeof(double)大於n）,m4佔用8個字節。接着爲m3分配空間，這時其偏移量爲12，知足爲4的倍數，m3佔用4個字節。這時已經爲全部成員變量分配了空間，共分配了16個字節，知足爲n的倍數。若是把上面的#pragma pack(4)改成#pragma pack(16)，那麼咱們能夠獲得結構的大小爲24。
2、 sizeof用法總結
在VC中，sizeof有着許多的用法，並且很容易引發一些錯誤。下面根據sizeof後面的參數對sizeof的用法作個總結。
A．參數爲數據類型或者爲通常變量。例如sizeof(int),sizeof(long)等等。這種狀況要注意的是不一樣系統系統或者不一樣編譯器獲得的結果多是不一樣的。例如int類型在16位系統中佔2個字節，在32位系統中佔4個字節。
B．參數爲數組或指針。下面舉例說明.
int a[50]; //sizeof(a)=4*50=200; 求數組所佔的空間大小
int *a=new int[50];// sizeof(a)=4; a爲一個指針，sizeof(a)是求指針
//的大小,在32位系統中，固然是佔4個字節。
C．參數爲結構或類。Sizeof應用在類和結構的處理狀況是相同的。但有兩點須要注意，第1、結構或者類中的靜態成員不對結構或者類的大小產生影響，由於靜態變量的存儲位置與結構或者類的實例地址無關。
第2、沒有成員變量的結構或類的大小爲1，由於必須保證結構或類的每一
個實例在內存中都有惟一的地址。
下面舉例說明，
Class Test{int a;static double c};//sizeof(Test)=4.
Test *s;//sizeof(s)=4,s爲一個指針。
Class test1{ };//sizeof(test1)=1;
D．參數爲其餘。下面舉例說明。
int func(char s[5]);
{
cout< //數的參數在傳遞的時候系統處理爲一個指針，所
//以sizeof(s)實際上爲求指針的大小。
return 1;
}
sizeof(func(「1234」))=4//由於func的返回類型爲int，因此至關於
//求sizeof(int).
以上爲sizeof的基本用法，在實際的使用中要注意分析VC的分配變量的分配策略.

在網絡協議、通訊控制、嵌入式系統的C/C++編程中，咱們常常要傳送的不是簡單的字節流（char型數組），而是多種數據組合起來的一個總體，其表現形式是一個結構體。

　　經驗不足的開發人員每每將全部須要傳送的內容依順序保存在char型數組中，經過指針偏移的方法傳送網絡報文等信息。這樣作編程複雜，易出錯，並且一旦控制方式及通訊協議有所變化，程序就要進行很是細緻的修改。

　　一個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉一個例子，假設網絡或控制協議中須要傳送三種報文，其格式分別爲packetA、packetB、packetC：

struct structA
{
int a;
char b;
};

struct structB
{
char a;
short b;
};

struct structC
{
int a;
char b;
float c;
}

　　優秀的程序設計者這樣設計傳送的報文：

structCommuPacket
{
int iPacketType;//報文類型標誌
union//每次傳送的是三種報文中的一種，使用union
{
struct structA packetA;
struct structB packetB;
struct structC packetC;
}
};

　　在進行報文傳送時，直接傳送structCommuPacket一個總體。

　　假設發送函數的原形以下：

// pSendData：發送字節流的首地址，iLen：要發送的長度
Send(char * pSendData, unsigned int iLen);
發送方能夠直接進行以下調用發送struct CommuPacket的一個實例sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設接收函數的原形以下：
// pRecvData：發送字節流的首地址，iLen：要接收的長度
//返回值：實際接收到的字節數
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen)；

　　接收方能夠直接進行以下調用將接收到的數據保存在structCommuPacket的一個實例recvCommuPacket中：

Recv( (char*)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

　　接着判斷報文類型進行相應處理：

switch(recvCommuPacket.iPacketType)
{
case PACKET_A:
… //A類報文處理
break;
case PACKET_B:
…//B類報文處理
break;
case PACKET_C:
… //C類報文處理
break;
}

　　以上程序中最值得注意的是

Send( (char*)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

　　中的強制類型轉換：(char*)&sendCommuPacket、(char*)&recvCommuPacket，先取地址，再轉化爲char型指針，這樣就能夠直接利用處理字節流的函數。

　　利用這種強制類型轉化，咱們還能夠方便程序的編寫，例如要對sendCommuPacket所處內存初始化爲0，能夠這樣調用標準庫函數memset()：

memset((char*)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2. struct的成員對齊

Intel、微軟等公司曾經出過一道相似的面試題：

1. #include <iostream.h>

2. #pragma pack(8)
3. struct example1
4. {
5. short a;
6. long b;
7. };

8. struct example2
9. {
10. char c;
11. example1 struct1;

//structexample2中包含了struct example1，其自己包含的簡單數據成員的最大size爲2（short變量e），可是由於其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size爲4，struct example2也應以4對界，#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起做用，故19行的輸出結果爲16；

12. shorte;
13. };
14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv[])
16. {
17. example2 struct2;

18. cout << sizeof(example1) << endl;
19. cout << sizeof(example2) << endl;
20. cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsignedint)(&struct2)
<< endl;

21. return 0;
22. }

問程序的輸入結果是什麼？

答案是：

8
16
4

　　不明白？仍是不明白？下面一一道來：

2.1天然對界

struct是一種複合數據類型，其構成元素既能夠是基本數據類型（如 int、long、float等）的變量，也能夠是一些複合數據類型（如array、struct、union等）的數據單元。對於結構體，編譯器會自動進行成員變量的對齊，以提升運算效率。缺省狀況下，編譯器爲結構體的每一個成員按其天然對界（naturalalignment）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

　　天然對界(naturalalignment)即默認對齊方式，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。例如：

structnaturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};

　　在上述結構體中，size最大的是short，其長度爲2字節，於是結構體中的char成員a、c都以2爲單位對齊，sizeof(naturalalign)的結果等於6；

　　若是改成：

structnaturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};

　　其結果顯然爲12。

2.2指定對界

　　通常地，能夠經過下面的方法來改變缺省的對界條件：

· 使用僞指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個字節對齊；
· 使用僞指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。

　　注意：若是#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size，則其不起做用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

　　例如：

#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()

　　當n爲4、8、16時，其對齊方式均同樣，sizeof(naturalalign)的結果都等於12。而當n爲2時，其發揮了做用，使得sizeof(naturalalign)的結果爲8。

　　在VC++ 6.0編譯器中，咱們能夠指定其對界方式（見圖1），其操做方式爲依次選擇projetct >setting > C/C++菜單，在struct memberalignment中指定你要的對界方式。

圖1：在VC++ 6.0中指定對界方式

2.3面試題的解答

　　至此，咱們能夠對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

　　程序中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對界爲8，可是因爲struct example1中的成員最大size爲4（long變量size爲4），故struct example1仍然按4字節對界，struct example1的size爲8，即第18行的輸出結果；

struct example2中包含了struct example1，其自己包含的簡單數據成員的最大size爲2（short變量e），可是由於其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size爲4，struct example2也應以4對界，#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起做用，故19行的輸出結果爲16；

　　因爲struct example2中的成員以4爲單位對界，故其char變量c後應補充3個空，其後纔是成員struct1的內存空間，20行的輸出結果爲4。

3. C和C++間struct的深層區別

　　在C++語言中struct具備了「類」　的功能，其與關鍵字class的區別在於struct中成員變量和函數的默認訪問權限爲public，而class的爲private。

　　例如，定義struct類和class類：

struct structA
{
char a;
…
}
class classB
{
char a;
…
}

　　則：

struct A a;
a.a = 'a'; //訪問public成員，合法
classB b;
b.a = 'a'; //訪問private成員，不合法

　　許多文獻寫到這裏就認爲已經給出了C++中struct和class的所有區別，實則否則，另一點須要注意的是：

C++中的struct保持了對C中struct的全面兼容（這符合C++的初衷——「a better c」），於是，下面的操做是合法的：

//定義struct
struct structA
{
char a;
char b;
int c;
};
structA a = {'a' , 'a' ,1}; // 定義時直接賦初值

　　即struct能夠在定義的時候直接以{ }對其成員變量賦初值，而class則不能，在經典書目《thinking C++ 2ndedition》中做者對此點進行了強調。

4. struct編程注意事項

　　看看下面的程序：

1. #include<iostream.h>

2. struct structA
3. {
4. int iMember;
5. char *cMember;
6. };

7. int main(int argc, char* argv[])
8. {
9. structA instant1,instant2;
10.char c = 'a';

11. instant1.iMember = 1;
12. instant1.cMember = &c;

13.instant2 = instant1;

14.cout << *(instant1.cMember) << endl;

15.*(instant2.cMember) = 'b';

16. cout << *(instant1.cMember) << endl;

17. return 0;
}

14行的輸出結果是：a
16行的輸出結果是：b

Why?咱們在15行對instant2的修改改變了instant1中成員的值！

　　緣由在於13行的instant2 =instant1賦值語句採用的是變量逐個拷貝，這使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片內存，於是對instant2的修改也是對instant1的修改。

　　在C語言中，當結構體中存在指針型成員時，必定要注意在採用賦值語句時是否將2個實例中的指針型成員指向了同一片內存。

　　在C++語言中，當結構體中存在指針型成員時，咱們須要重寫struct的拷貝構造函數並進行「=」操做符重載。

例:

默認對齊方式：
struct name1
{
char str;

short x;
int num;
double xx;
};

sizeof(struct name1)=16個字節

內在存放地址: &name1.str= 1310576; &name1.x =1310578;

&name1.num =1310580; &name1.xx =1310584;
struct name2
{
char str;
int num;
short x;
double xx;
};

struct name2＝24個字節

內存存放地址: &name1.str= 1310552; &name1.num = 1310556;

&name1.x =1310560; &name1.xx = 1310568;

這個問題應該跟編譯器有關係。
對於結構體中的某一成員item，它相對於結構首地址的實際字節對齊數目X應該知足
如下規則：
X = min(n, sizeof(item))。n 是編譯器設定的最大對齊邊界數。
若是n = 8 .
struct name1
{
char str; 偏移爲0 ，從第一個字節位置存儲，佔1個字節
short x; 偏移爲2 ，從第三個字節位置開始存儲，佔2個字節
int num; 偏移爲4，因爲前兩個佔了4個字節，因此從第五個字節開始存儲。佔4個字節
double xx; 偏移爲8，因爲前兩個佔了8個字節，因此從第9個字節開始存儲。佔8個字節
};
一共佔16個字節。
struct name2
{
char str; 偏移爲0 ，從第一個字節位置存儲，佔1個字節
int num; 偏移爲4，因爲前兩個佔了1個字節，因此從第五個字節開始存儲。佔4個字
short x; 偏移爲2，因爲前兩個佔了8個字節從第九個字節位置開始存儲，佔2個字節
double xx;偏移爲8，因爲前兩個佔了10個字節，因此從第17個字節開始存儲佔8個字節
};
一共佔24個字節