关于面试题中结构体内存对齐计算总结

灰太狼 2022-05-26 08:51 209阅读 0赞

### 内存对齐计算可谓是笔试题的必考题，但是如何按照计算原则算出正确答案一开始也不是很容易的事，所以专门通过例子来复习下关于结构体内存对齐的计算问题。（编译环境为vs2015） ###

> ### **对齐原则：** ###
> 
> #### **原则1：**数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照\#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。 ####
> 
> #### **原则2：**结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照\#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。 ####
> 
> #### **原则3：**结构体作为成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。 ####

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> ### **默认对齐值：** ###
> 
> #### Linux 默认\#pragma pack(4) ####
> 
> #### window 默认\#pragma pack(8) ####
> 
> #### 注：可以通过预编译命令\#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是指定的“对齐系数”。 ####

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### **例一：一字节对齐** ###

### **第一步： 成员数据对齐** ###

#pragma pack(1)
    struct AA {
        int a;   //长度4 < 1 按1对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
        char b;  //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
        short c; //长度2 > 1 按1对齐；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
        char d;  //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为6；存放位置区间[7]
        //整体存放在[0~7]位置区间中，共八个字节。
    };
    #pragma pack()

### **第二步： 整体对齐** ###

#### 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1，所以不需要再进行整体对齐。整体大小就为8。 ####

### **图示如下：** ###

![这里写图片描述][SouthEast]

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### **例二：二字节对齐** ###

### **第一步： 成员数据对齐** ###

#pragma pack(2)
    struct AA {
        int a;   //长度4 > 2 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
        char b;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
        short c; //长度2 = 2 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
        char d;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节
    };
    #pragma pack()

### **第二步： 整体对齐** ###

#### 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2，将9提升到2的倍数，则为10.所以最终结果为10个字节。 ####

### **图示如下：（X为补齐部分）** ###

![这里写图片描述][SouthEast 1]

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### **例三：四字节对齐** ###

### **第一步： 成员数据对齐** ###

#pragma pack(4)
    struct AA {
        int a;   //长度4 = 4 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
        char b;  //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
        short c; //长度2 < 4 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
        char d;  //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；总大小为9
    };
    #pragma pack()

### **第二步： 整体对齐** ###

#### 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4，将9提升到4的倍数，则为12.所以最终结果为12个字节。 ####

### **图示如下：（X为补齐部分）** ###

![这里写图片描述][SouthEast 2]

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### **例三：八字节对齐** ###

### **第一步： 成员数据对齐** ###

#pragma pack(8)
    struct AA {
        int a;   //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
        char b;  //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
        short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
        char d;  //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]，总大小为9
    };
    #pragma pack()

### **第二步： 整体对齐** ###

#### 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将9提升到4的倍数，则为12.所以最终结果为12个字节。图示如上。 ####

#### 注：可以通过stddef.h库中的offsetof宏来查看对应结构体元素的偏移量。 ####

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### **例四：结构体中包含结构体的运算** ###

### **整体计算过程如下** ###

struct EE
    {
        int a;      //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
        char b;     //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
        short c;    //长度2 < 8 按2对齐；偏移量由5提升到6；存放位置区间[6,7]
        //结构体内部最大元素为int,由于偏移量为8刚好是4的整数倍，所以从8开始存放接下来的struct FF
        struct FF
        {
            int a1;     //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
            char b1;    //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为12；存放位置区间[12]
            short c1;   //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为13,提升到2的倍数14；存放位置区间[14,15]
            char d1;    //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为16；存放位置区间[16]
        };
        //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由17补齐到4的整数倍20
        char d;         //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为21；存放位置区间[21]
        //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由21补齐到4的整数倍24
    };

### **图示如下：** ###

![这里写图片描述][SouthEast 3]

### **例五：再来一个嵌套结构体的计算** ###

### **整体计算过程如下** ###

struct B {
        char e[2];      //长度1 < 8 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,1]
        short h;        //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为2；存放位置区间[2,3]
        //结构体内部最大元素为double,偏移量为4，提升到8，所以从8开始存放接下来的struct A
        struct A {
            int a;      //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
            double b;   //长度8 = 8 按8对齐；偏移量为12，提升到16；存放位置区间16,23]
            float c;    //长度4 < 8,按4对齐；偏移量为24，存放位置区间[24,27]
        };
        //整体对齐系数 = min((max(int,double,float), 8) = 8，将内存大小由28补齐到8的整数倍32
    };

### **图示如下：** ###

![这里写图片描述][SouthEast 4]

### **小结：当\#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。** ###

[SouthEast]: /images/20220526/0c7c20033f9b4741b3a1aed62a5e010b.png
[SouthEast 1]: /images/20220526/e22b18fd477345ba8c5292778943822c.png
[SouthEast 2]: /images/20220526/071f48cd805d4d28b630c748a4b8fef2.png
[SouthEast 3]: /images/20220526/70ab2532042745f4afac4f79c5f35c13.png
[SouthEast 4]: /images/20220526/a76b8360f0b446bea3bffefb269d2893.png