结构体和类的内存字节对齐详解

谁践踏了优雅 2022-08-22 03:57 218阅读 0赞

本文转载自：http://www.jizhuomi.com/software/567.html

先说个题外话：早些年我学C程序设计时，写过一段解释硬盘MBR分区表的代码，对着磁盘编辑器怎么看，怎么对，可一执行，结果就错了。当时调试也不太会，又根本没听过结构体对齐这一说，所以，问题解决不了，好几天都十分纠结。后来万般无奈请教一个朋友，才获悉可能是结构体对齐的事，一查、一改，果真如此。

问题是解决了，可网上的资料多数只提到内存对齐是如何做的，却鲜有提及为什么这样做(即使提，也相当简单)。笔者是个超级健忘者，很难机械式的记住这些破规则，于是仔细想了想，总算明白了原因，这样，这些对齐的规则也就不会再轻易忘记了。

不光结构体存在内存对齐一说，类(对象)也如此，甚至于所有变量在内存中的存储也有对齐一说(只是这些对程序员是透明的，不需要关心)。实际上，这种对齐是为了在空间与复杂度上达到平衡的一种技术手段，简单的讲，是为了在可接受的空间浪费的前提下，尽可能的提高对相同运算过程的最少(快)处理。先举个例子：

假设机器字长是32位的(即4字节，下面示例均按此字长)，也就是说处理任何内存中的数据，其实都是按32位的单位进行的。现在有2个变量：

C++代码

1.  **char** A;   
2.  **int** B;

假设这2个变量是从内存地址0开始分配的，如果不考虑对齐，应该是这样存储的(见下图,以intel上的little endian为例，为了形象，每16个字节分做一行，后同)：

![结构体和类的内存字节对齐详解][234241430.png]

因为计算机的字长是4字节的，所以在处理变量A与B时的过程可能大致为：

A:将0x00-0x03共32位读入寄存器，再通过左移24位再右移24位运算得到a的值(或与0x000000FF做与运算)

B:将0x00-0x03这32位读入寄存器，通过位运算得到低24位的值；再将0x04-0x07这32位读入寄存器，通过位运算得到高8位的值；再与最先得到的24位做位运算，才可得到整个32位的值。

上面叙述可知，对a的处理是最简处理，可对b的处理，本身是个32位数，处理的时候却得折成2部分，之后再合并，效率上就有些低了。

想解决这个问题，就需要付出几个字节浪费的代价，改为下图的分配方式：

![结构体和类的内存字节对齐详解][234031687.png]

按上面的分配方式，A的处理过程不变；B却简单得多了：只需将0x04-0x07这32位读入寄存器就OK了。

我们可以具体谈结构体或类成员的对齐了：

结构体在编译成机器代码后，其实就没有本身的集合概念了，而类，实际上是个加强版的结构体，类的对象在实例化时，内存中申请的就是一些变量的空间集合(类似于结构体，同时也不包含函数指针)。这些集合中的每个变量，在使用中，都需要涉及上述的加工原则，自然也就需要在效率与空间之间做出权衡。

为了便捷加工连续多个相同类型原始变量，同时简化原始变量寻址，再汇总上述最少处理原则，通常可以将原始变量的长度做为针对此变量的分配单位，比如内存可用64个单元，如果某原始变量长度为8字节，即使机器字长为4字节，分配的时候也以8字节对齐(看似IO次数是相同的)，这样，寻址、分配时，均可以按每8字节为单位进行，简化了操作，也可以更高效。

系统默认的对齐规则，追求的至少两点：1、变量的最高效加工 2、达到目的1的最少空间

举个例子，一个结构体如下：

C++代码

1.  **typedef** **struct** T  
2.  \{   
3.      **char** c; //本身长度1字节   
4.      **\_\_int64** d;  //本身长度8字节  
5.      **int** e;  //本身长度4字节  
6.      **short** f;  //本身长度2字节  
7.      **char** g;  //本身长度1字节  
8.      **short** h;  //本身长度2字节  
9.  \};

假设定义了一个结构体变量C，在内存中分配到了0x00的位置，显然：

对于成员C.c  无论如何，也是一次寄存器读入，所以先占一个字节。

对于成员C.d  是个64位的变量，如果紧跟着C.c存储，则读入寄存器至少需要3次，为了实现最少的2次读入，至少需要以4字节对齐；同时对于8字节的原始变量，为了在寻址单位上统一，则需要按8字节对齐，所以，应该分配到0x08-0xF的位置。

对于成员C.e  是个32位的变量，自然只需满足分配起始为整数个32位即可，所以分配至0x10-0x13。

对于成员C.f  是个16位的变量，直接分配在0x14-0x16上，这样，反正只需一次读入寄存器后加工，边界也与16位对齐。

对于成员C.g  是个8位的变量，本身也得一次读入寄存器后加工，同时对于1个字节的变量，存储在任何字节开始都是对齐，所以，分配到0x17的位置。

对于成员C.h  是个16位的变量，为了保证与16位边界对齐，所以，分配到0x18-0x1A的位置。

分配图如下(还不正确，耐心读下去)：

![结构体和类的内存字节对齐详解][004003168.png]

结构体C的占用空间到h结束就可以了吗?我们找个示例：如果定义一个结构体数组 CA\[2\]，按变量分配的原则，这2个结构体应该是在内存中连续存储的，分配应该如下图：

![结构体和类的内存字节对齐详解][004624736.png]

分析一下上图，明显可知，CA\[1\]的很多成员都不再对齐了，究其原因，是结构体的开始边界不对齐。

那结构体的开始偏移满足什么条件才可以使其成员全部对齐呢。想一想就明白了：很简单，保证结构体长度是原始成员最长分配的整数倍即可。

上述结构体应该按最长的.d成员对齐，即与8字节对齐，这样正确的分配图如下：

![结构体和类的内存字节对齐详解][005212595.png]

当然结构体T的长度:sizeof(T)==0x20;

再举个例子，看看在默认对齐规则下，各结构体成员的对齐规则：

C++代码

1.  **typedef** **struct** A   
2.  \{   
3.      **char** c;  //1个字节  
4.      **int** d;  //4个字节，要与4字节对齐，所以分配至第4个字节处  
5.      **short** e;  //2个字节， 上述两个成员过后，本身就是与2对齐的，所以之前无填充  
6.   \}; //整个结构体，最长的成员为4个字节，需要总长度与4字节对齐，所以， sizeof(A)==12   
7.  **typedef** **struct** B   
8.  \{   
9.      **char** c;  //1个字节  
10.     **\_\_int64** d;  //8个字节，位置要与8字节对齐，所以分配到第8个字节处  
11.     **int** e;  //4个字节，成员d结束于15字节，紧跟的16字节对齐于4字节，所以分配到16-19  
12.     **short** f;  //2个字节，成员e结束于19字节，紧跟的20字节对齐于2字节，所以分配到20-21  
13.     A g;  //结构体长为12字节，最长成员为4字节，需按4字节对齐，所以前面跳过2个字节,   
14. //到24-35字节处  
15.     **char** h;   //1个字节，分配到36字节处  
16.     **int** i;   //4个字节，要对齐4字节，跳过3字节，分配到40-43 字节  
17. \}; //整个结构体的最大分配成员为8字节，所以结构体后面加5字节填充，被到48字节。故：  
18. //sizeof(B)==48;

具体的分配图如下：

![结构体和类的内存字节对齐详解][012057204.png]

上述全部测试代码如下：

C++代码

1.  **\#include "stdio.h" **  
2.  **typedef** **struct** A   
3.  \{   
4.      **char** c;   
5.      **int** d;   
6.      **short** e;   
7.     
8.  \};   
9.  **typedef** **struct** B   
10. \{   
11.     **char** c;   
12.     **\_\_int64** d;   
13.     **int** e;   
14.     **short** f;   
15.     A g;   
16.     **char** h;   
17.     **int** i;   
18. \};   
19. **typedef** **struct** C   
20. \{   
21.     **char** c;   
22.     **\_\_int64** d;   
23.     **int** e;   
24.     **short** f;   
25.     **char** g;   
26.     **short** h;   
27. \};   
28. **typedef** **struct** D   
29. \{   
30.     **char** a;   
31.     **short** b;   
32.     **char** c;   
33. \};   
34. **int** main()   
35. \{   
36.    
37.     B \*b=**new** B;   
38.     **void** \*s\[32\];   
39.     s\[0\]=b;   
40.     s\[1\]=&b->c;   
41.     s\[2\]=&b->d;   
42.     s\[3\]=&b->e;   
43.     s\[4\]=&b->f;   
44.     s\[5\]=&b->g;   
45.     s\[6\]=&b->h;   
46.     s\[7\]=&b->g.c;   
47.     s\[8\]=&b->g.d;   
48.     s\[9\]=&b->g.e;   
49.     s\[10\]=&b->i;   
50.     b->c= 0x11;   
51.     b->d= 0x2222222222222222;   
52.     b->e= 0x33333333;   
53.     b->f=0x4444;   
54.     b->g.c=0x50;   
55.     b->g.d=0x51515151;   
56.     b->g.e=0x5252;   
57.     b->h=0x66;   
58.     **int** i1=**sizeof**(A);   
59.     **int** i2=**sizeof**(B);   
60.     **int** i3=**sizeof**(C);   
61.     **int** i4=**sizeof**(D);   
62.     printf("i1:%d\\ni2:%d\\ni3:%d\\ni4:%d\\n",i1,i2,i3,i4);//12 48 32 6   
63. \}

运行时的内存情况如下图：

![结构体和类的内存字节对齐详解][013014504.png]

最后，简单加工一下转载过来的内存对齐正式原则：

先介绍四个概念：

1)数据类型自身的对齐值：基本数据类型的自身对齐值，等于sizeof(基本数据类型)。

2)指定对齐值：\#pragma pack (value)时的指定对齐值value。

3)结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

4)数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。

有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是 数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整 数倍)

\#pragma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。

如\#pragma pack (1)  /\*指定按2字节对齐\*/

\#pragma pack () /\*取消指定对齐，恢复缺省对齐\*/

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[234031687.png]: /images/20220724/9a4386ad5fd54edf87152c20d2efc1ea.png
[004003168.png]: /images/20220724/da44d23e612a41efb8881881a2b24665.png
[004624736.png]: /images/20220724/dee65c2a82f14cef9b5196d74e178eaf.png
[005212595.png]: /images/20220724/0f308edc86514d55bd6ae8e3082f921d.png
[012057204.png]: /images/20220724/51a032f6a506443da7ee629b3f06061b.png
[013014504.png]: /images/20220724/0dc6d8221d894375836707ec3a764660.png