結構體對齊的規則詳解及C++代碼驗證

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基本概念

CPU一次能讀取多少個字節的數據主要是看數據總線是多少位的，16位CPU一次能讀取2個字節，32位CPU一次能讀取4個字節，64位CPU一次能讀取8個字節。並且不能跨內存區間訪問，這句話的意思可以理解為，如果CPU是32位的話，那麼可以將整個內存區間每4個字節分為一塊(BLOCK)，每次讀取一個BLOCK的數據。

那麼對於下面這個結構體：

struct st {
    char c;
    int i;
};

如果不進行對齊操作，char 的地址范圍0x00000000，int的地址范圍為0x00000001—-0x00000004,int分佈在兩個不同的BLOCK上，因此要讀取int需要兩次操作；如果進行4字節對齊，那麼int的地址范圍為0x00000004—-0x00000007，處在一個BLOCK上，因此隻需一次讀取操作即可。缺點也顯而易見，多占用瞭3個字節。這也是典型的一種空間換時間的方法吧。

結構體對齊的規則

結構體對齊需要滿足以下三條規則，其中系統對齊模數在64位機器上默認為8字節，32位機器上默認為4字節。通過預處理指令#pargma pack(N)可以修改系統模數為N個字節。

1、以結構體第一個元素的地址為起始地址，亦即結構體的起始地址。由上可知，第一個元素的偏移量為0；

2、結構體元素對齊原則：結構體成員的對齊模數為類型大小與系統對齊模數的較小者；結構體成員的偏移量（填充）為對齊模數的整數倍。

3、結構體大小對齊原則：結構體的對齊模數為結構體最大元素與系統對齊模數的較小者；結構體的大小（填充）為結構體對齊模數的整數倍。

程序驗證

測試環境為64位Windows ，VS2019，定義結構體st1，包含3個元素char，int，double，定義系統對齊模數為4個字節。

#include <iostream>

#pragma pack(4)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    int i;
    double db;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結構體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    return 0;
}

首先我們按照對齊規則來進行分析。第一個元素為char，類型大小為1個字節，對齊模數min(1,4)=1，偏移量為0是對齊模數的整數倍，無需填充（從這裡我們可以看到，第一個字節偏移量始終為0，是不需要填充的）,下一個元素的偏移從1開始；第二個元素為int，類型大小4個字節，對齊模數為4個字節，不填充時偏移量為1，不是4的整數倍，因此這裡需要填充3個字節，使得int的偏移量為4，且下一個元素偏移從8開始；第三個元素是double，類型大小為8個字節，對齊模數為4，偏移量從8開始，是4的整數倍，因此無需填充，占用8個字節，因此結構體的大小為16個字節。運行程序輸出：

在這裡插入圖片描述

將系統對齊模數修改為1 【#pargma pack(1)】，這樣的話，任何情況下都無需填充（不足一個字節的類型視為一個字節），結構體的大小即為結構體元素大小之和。運行程序輸出：

在這裡插入圖片描述

將系統對齊模數修改為8 【#pargma pack(8)】，這樣的話，任何情況下都無需填充（不足一個字節的類型視為一個字節），結構體的大小即為結構體元素大小之和。運行程序輸出：

在這裡插入圖片描述

Emmm，好像和系統對齊模數為4時沒什麼變化。那我們將int 和 double的順序換一下呢？

#include <iostream>

#pragma pack(8)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    double db;
    int i;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結構體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    return 0;
}

在這裡插入圖片描述

順序調瞭下，結構體就比原來大瞭8個字節!!!從中我們可以看出，將結構體元素從小到大排列，可以最大程度節省空間。

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

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