講解C語言編程中的結構體對齊

Q：關於結構體的對齊，到底遵循什麼原則？

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，那麼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。這裏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（不同平台可能會有不同）：

原則A：struct或者union的成員，第一個成員在偏移0的位置，之後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，那麼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，佔1字節；score是short類型，佔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佔1字節，填充的1字節和score佔2字節，地址4已經是4的整數倍，所以age的位置為4.最後，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)語句後，之前説的原則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後面將填充一個1字節，然後是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正好佔用4字節，所以age接着存放；它的偏移為4.

Q：關於位域的問題，空域到底表示什麼？

A：它表示之後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佔用4個字節的前4位，到int:0; 時表示此時將填充餘下所有沒有填充的位，即剛剛的4個字節的餘下28位；int d:2; 將從第四個字節開始填充，又會佔用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的內存佈局：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; };

由於相鄰位域類型不同，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，為什麼要設計內存對齊的`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。那麼為什麼要使用對齊呢？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。假設一個體繫結構的字長為w，那麼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。

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