完全搞清計算結構體大小和數據對齊原則

           完全搞清計算結構體大小和數據對齊原則

                                              By Qianghaohao

                       

           數據對齊:

                     許多計算機系統對基本數據類型合法地址作出了一些限制，要求某種類型對象的地址必須是

          某個值K(一般是2，4或8)的倍數。這種對齊限制簡化了造成處理器和存儲器系統之間的接口的硬件

          設計。例如，假設一個處理器老是從存儲器中取出8個字節，則地址必須爲8的倍數。若是咱們能保

          證將全部的double類型數據的地址對齊成8的倍數，那麼就能夠用一個存儲器操做來讀或者寫值了。

         不然，咱們可能須要執行兩次存儲器訪問，由於對象可能被分放在兩個8字節存儲塊中。

          

          當數據類型爲結構體時，編譯器可能須要在結構體字段的分配中插入間隙，以保證每一個結構元素都

         知足它的對齊要求。而結構自己對它的地址也有一些對齊要求，此時可能須要在結構末尾填充一些

         空間，以知足結構體總體的對齊----向結構體元素中最大的元素對齊。稍後會用代碼說明!!!

       

         Linux和Microsoft Windows的對齊方式有何不一樣:

               一.Linux的對齊策略:

                       在Linux中2字節數據類型(例如short)的地址必須是2的倍數，而較大的數據類型(例如int，int *

               ，float和double)的地址必須是4的倍數。也就是說Linux下要麼2字節對齊，要麼4字節對齊，沒

               有其餘格式的對齊。

              二.Microsoft Windows的對齊策略:

                       在Windows中對齊要求更嚴--任何K字節基本對象的地址都必須是K的倍數，K=2，4，或者8.

            特別地，double或者long long類型數據的地址應該是8的倍數。能夠看出Windows的對齊策略和

            Linux仍是不一樣的。稍後用代碼說明!!!

          

           接下來用代碼和圖文說明二者的對齊方式(不一樣的對齊方式產生的結構體大小不一樣):

               測試代碼以下:

              

/////////////////////////////////////
//   filename:DataAlignment
/////////////////////////////////////
#include<stdio.h>

typedef struct 
{
	char c;
	int i[2];
	double v;
}S;

int main()
{
	printf("size of S = %d\n", sizeof(S));
	return 0;
}

         程序中定義了一個結構體，在沒有任何數據對齊時內存佈局以下:

        

          一.在紅帽Linux i686上編譯編譯後結構S的佈局以下:

                                 

           因爲要保證結構體每一個元素都要數據對齊，所以必須在c和i[0]之間插入3字節的間隙(圖中陰影部分爲編譯器插入的間隙)

           使得i[0]和後面的元素的的偏移量都爲4的倍數，這樣最終S結構大小爲20字節。

                       運行程序結果爲:

                           size of S = 20

           

           二.在Microsoft Windows 上編譯後S的內存佈局以下:

                

                       

         在windows下int類型4個字節，所以int類型要向4字節對齊，double類型8字節，所以要向8字節對齊。所以在

         c和i[0]之間插入3字節的間隙(圖中陰影部分)，使得i[0]的偏移量爲4的倍數，同時在i[1]和v之間插入4字節的間隙，

        使得v的偏移量爲8的倍數。這樣最終S結構的大小爲24字節。

                       運行程序結果爲:

                           size of S = 24

          從以上對比能夠看出Linux下和windows下的對齊策略是不一樣的，這就致使在兩個平臺下結構體的大小不一樣。

           

         如今考慮以下代碼:

              

#include<stdio.h>
typedef struct
{
    int i;
    int j;
    char c;
}S1;
int main()
{
   printf("size of S1 = %d\n", sizeof(S1));
   return 0;
}

       可能不少人認爲編譯後運行結果爲9，覺得結構體的每一個元素都知足各自的對齊要求。其實否則，別忘了還有要考慮

       結構體總體的對齊。假若有以下聲明:

              S1  d[4];

       若是這樣分配9個字節，不可能知足d的每一個元素的對齊要求，由於這些元素的地址分別爲xd，xd+9，xd+18，

       xd+27。這樣只有第一個元素知足4字節對齊的要求，而其餘的元素的地址都不是4的倍數。

      所以編譯器會在結構體的末尾填充3字節知足結構體總體的對齊要求，填充後的內存佈局以下:

       

                      這樣一來，d的元素的地址分別爲xd，xd+12，xd+24，xd+36，知足4字節的整數倍，這樣最終S1的大小

                      爲12字節，而不是9字節.

                   總結:經過代碼的對比，能夠看出Linx和Windwos的數據對齊有所差別，這就致使

        在一些狀況下二者平臺結構體類型大小的不一樣。經過以上示例分析咱們能夠很簡單的

        計算出在任何平臺下結構體的大小。讀者能夠找相關的練習題繼續練習下，驗證結果

        的正確性。相信仔細閱讀本文應該能搞定全部相似的問題!!!

                本文參考書籍:

                      連接:   深刻理解計算機系統原書第2版