C++中的字节对齐分析

struct A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

struct B
{
    char a;
    int b;
    short c;
};

#pragma pack(2)
struct C
{
    char a;
    int b;
    short c;
};

#pragma pack(1)
struct D
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{

    cout << sizeof(A) << "   "<< sizeof B << "   "<< sizeof C << "   "<< sizeof D <<endl;
    return 0;
}

运行结果如下：

81287

理论上来说，结构体A与B的大小应该都是一样的，造成这种原因的就是字节对齐引起来的。

2.为什么要字节对齐　

　　为什么呢？简单点说：为了提高存取效率。字节是内存空间分配的最小单位, 在程序中，我们定义的变量可以放在任何位置。其实不同架构的CPU在访问特定类型变量时是有规律的,比如有的CPU访问int型变量时，会从偶数地址开始读取的,int类型占用4个字节（windows平台）。 0X0000，0X0004，0X0008.....这样只需要读一次就可以读出Int类型变量的值。相反地，则需要读取二次，再把高低字节相拼才能得到 int类型的值，这样子看的话，存取效率当然提高了。　　通常写程序的时候，不需要考虑这些情况，编译都会为我们考虑这些情况，除非针对那些特别架构的 CPU编程的时候的则需要考虑。当然用户也可以手工控制对齐方式。

3.编译器对字节对齐的一些规则

我从下面三条说明了编译器对字节处理的一些原则。当然除了一些特殊的编译器在处理字节对齐的方式也不一样，这些情况我未碰到过，就不作说明了。

　　a. 关于数据类型自身的对齐值，不同类型会按不同的字节来对齐。

类型	对齐值(字节)
char	1
short	2
int	4
float	4
double	8

b. 类、结构体的自身对齐字节值。对于结构体类型与类对象的对齐原则：使用成员当中最大的对齐字节来对齐。比如在Struct A中，int a的对齐字节为4，比char,short都大，所以A的对齐字节为4 c. 指定对齐字节值。意思是指使用了宏 #pragma pack(n)来指定的对齐值

d. 类、结构及成员的有效对齐字节值。有效对齐值=min(类/结构体/成员的自身对齐字节值，指定对齐字节值)。　　

　　有效对齐值决定了数据的存放方式，sizeof 运算符就是根据有效对齐值来计算成员大小的。简单来说，有效对齐其实就是要求数据成员存放的地址值能被有效对齐值整除，即：地址值%有效对齐值=0

4. 结合编译器分析示例

根据上面的原则，分析Struct A的size。结构体的成员内存分配是按照定义的顺序来分析的。

structA
{
inta;
charb;
shortc;
} 为了简单起见，我假设Struct A存取的起始地址为 0x0000 在没有指定对齐值的情况下，分析步骤：　

   step 1: 根据第二条，首先为结构体选择对齐值：选择成员中最大的对齐值，即int a，对齐值为4　　
   step 2: 再根据第四条原则，决定有效对齐值：即然没有手工指定对齐值，则使用默认的值：4(windows 32平台)　　　
   step 3: int a 的有效地址值=min(4,4),(因为0x0000%4=0)，这样a的地址就是从 0X0000~0x0003　　　　
   step 4: char b 的有效对齐值=min(1,4)，地址依次从0x0004 (因为Ox0004%1=0)开始，分配一个字节，地址段分配情况就是：0x0000~0x0004　　　　
   step 5: short c 的有效对齐值=min(2,4)，理论上说，分配的地址应该是连续的（从0x0005~0x00006），但是由于要求考虑到对齐的情况，所求要求地址段 偏移，这样就从0x0006(Offset+1，因为0x0006%2=0)开始，分配2个字节的地址0x0006~0x0007.
   目前为止，地址段的分配情况就是：0x0000~0x0007这样sizeof(A)的大小=0x0000~0x0007共8个字节大小，同时，8%4=0保证了Struct A的地址段与4成偶数倍。

接下来分析Struct B的大小，同样假设Struct B的起始地址为0x0000，分析步骤如下：

structB
{
chara;
intb;
shortc;
}

    step 1: 确实结构体B对齐值：选择成员中最大的对齐值，即int a，对齐值为4
    step 2: 确定手工指定对齐值，使用默认的值：4(windows 32, VC6.0平台)　　　
    step 3: char a 的有效地址值=min(1,4),a的地址就是 0X0000(因为0x0000%1=0)　
    step 4: int b 的有效对齐值=min(4,4)，地址依次从0x0004~0x0007 (因为Ox0004%1=0)开始，分配4个字节，目前j地址段分配情况就是：0x0000~0x0007　　　　
    step 5: short c 的有效对齐值=min(2,4)，c从0x0008~0x0009(因为0x0008%2=0)开始，偏移2个字节的地址0x0006~0x0007.
    至止，地址段的分配情况就是：0x0000~0x0009共10个字节，但是Struct B的对齐值为4,这就要求地址地段再偏移2个字节,这样就是从0x0000~0x000B共12(因为12%4=0)个字节大小。这样，sizeof(B)=12.

再来使用Pragma手工更改了字节对齐值的情况，先看看Struct C的定义：

#pragmapack(2)
structC
{
chara;
intb;
shortc;
};

在代码中，手工指定了对齐值为2个字节，分析步骤如下：

    step 1: 确定结构体C对齐值：选择成员中最大的对齐值，即int a，对齐值为4  　　
    step 2: 确定手工指定对齐值，使用手工指定的值：2
    step 3: char a 的有效地址值=min(1,2),(因为0x0000%2=0)，这样a的地址就是0x0000　
    step 4: int b 的有效对齐值=min(4,2)，地址依次从0x0002~0x0005 (因为Ox0002%2=0)开始，分配4个字节，目前地址段分配情况就是：0x0000~0x0005　　　　
    step 5: short c 的有效对齐值=min(2,2)，由于要求考虑到对齐的情况,从0x0006(因为0x0006%2=0)开始，分配2个字节的地址0x0006~0x0007
    目前为止，地址段的分配情况就是：0x0000~0x0007共8个字节，同时也保证了Struct C的对齐情况（2字节对齐,pragma(2)），sizeof(C)=8.

请注意这种情况与Struct B的情况有区别，B的sizeof大小为12个字节，C的sizeof大小为8个字节。

　　最后分析#pragmapack(1)这种情况，这种情况非常简单，对齐值为1，因为1可以被任何数据整除，所以Struct D的成员变量存取顺序是连续的，这样就好办了，sizeof(D)=sizeof(int)+sizeof(char)+sizeof(short)=4+1+2=7 (比如从0x0000~0x0006)

总结

　　在考虑字节对齐时要细心，搞清楚几个重要的概念，如类型自身对齐值，手工对齐值以及有效对齐值，有效对齐值决定了最后的存取方式，有效对齐值等于类型自身对齐值与手工对齐值中较小的一个。理解了这一点，对sizeof运算符对类型或都结构的运算也彻底明白了。

以下测试实例 -------------------------------------------------------------------------------------------------

#include <iostream>
using namespace std;
// 没有指定对齐字节，则使用 结构体或类 中字节最大的类型字节值(前提是不超过 8 字节，当超过8字节，则采用4字节对齐)
struct A  // 8 ->(8%4 == 0)-> 8
{
    int a;     //4
    char b;
    short c;
};

struct B     // 10 ->(10%4 != 0)-> 12
{
    char a;
    int b;     // 4
    short c;
};

struct C  // 12 ->(12%8 != 0)-> 16
{
    double b;     // 8
    char a;
    short c;
};

struct D  // 18 ->(18%8 != 0)-> 24
{
    char a;
    double b;     // 8
    short c;
};

struct E  // 20 ->(20%4 == 0)-> 20
{
    char a;
    long double b;     // (12 > 8) -> 采用 4 字节对齐， 和 #pragma pack(4) 效果一样
    short c;
};

struct F  // 16 ->(16%4 == 0)-> 16
{
    long double b;     // 12
    char a;
    short c;
};

#pragma pack(4) // 和 struct E 效果一样
struct G  // 20 ->(20%4 == 0)-> 20
{
    char a;
    long double b;     // 12
    short c;
};

#pragma pack(2) // 会影响后续类型的对齐有效值，直到重新设置
struct H // 8 ->(8%2 == 0)-> 8
{
    char a;
    int b;
    short c;
};

//#pragma pack(2)
struct I // 12 ->(12%2 == 0)-> 12
{
    char a;
    double b; // 8
    short c;
};

#pragma pack(1)
struct J  // 7 ->(7%1 == 0)-> 7
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

int main()
{    
    long double bb;
    cout << sizeof(bb) << endl;  // 12
    // 输出结果为： 8 12 16 24 20 16 20 8 12 7

    cout << sizeof(A) << "   "<< sizeof(B) << "   "<< sizeof(C) << "   "<< sizeof(D) << "   "<< sizeof(E) << "   "<< sizeof(F) << "   "<< sizeof(G) << "   "<< sizeof(H) << "   "<< sizeof(I) << "   "<< sizeof(J) << endl;
    return 0;
}

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