@[c++|struct]

今天在編程中碰到一個坑，搞的調(diào)試了半天，最后發(fā)現(xiàn)程序中在寫數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)時結(jié)構(gòu)體定義不一致導(dǎo)致讀取出來的數(shù)據(jù)不對，最終問題是由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自動字節(jié)對齊導(dǎo)致了兩端數(shù)據(jù)差異。下面附上一篇結(jié)構(gòu)體對齊的詳解文章，原文鏈接為：C++結(jié)構(gòu)體字節(jié)對齊

前言####

在計算機中數(shù)據(jù)存儲和傳輸以位(bit)為單位，每8個位bit組成1個字節(jié)(Byte)。32位計算機的字長為32位，即4個字節(jié)；對應(yīng)的，64位計算機的字長為64位，即8個字節(jié)。計算機系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，要求這些數(shù)據(jù)的起始地址的值是某個數(shù)k的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊，而這個k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對齊模數(shù)(alignment modulus)。

結(jié)構(gòu)的存儲分配####

編譯器按照結(jié)構(gòu)體成員列表的順序為每個成員分配內(nèi)存，當(dāng)存儲成員時需要滿足正確地邊界對齊要求時，成員之間可能出現(xiàn)用于填充地額外內(nèi)存空間。32位系統(tǒng)每次分配字節(jié)數(shù)最多為4個字節(jié),64位系統(tǒng)分配字節(jié)數(shù)最多為8個字節(jié)。
以下圖表是在不同系統(tǒng)中基本類型數(shù)據(jù)內(nèi)存大小和默認對齊模數(shù):

注：此外指針?biāo)純?nèi)存的長度由系統(tǒng)決定，在32位系統(tǒng)下為32位（即4個字節(jié)），64位系統(tǒng)下則為64位（即8個字節(jié)）.

沒有#pragma pack宏的對齊####

對齊規(guī)則:

• 結(jié)構(gòu)體的起始存儲位置必須是能夠被該結(jié)構(gòu)體中最大的數(shù)據(jù)類型所整除。
• 每個數(shù)據(jù)成員存儲的起始位置是自身大小的整數(shù)倍(比如int在32位機為4字節(jié)，則int型成員要從4的整數(shù)倍地址開始存儲)。
• 結(jié)構(gòu)體總大?。ㄒ簿褪莝izeof的結(jié)果），必須是該結(jié)構(gòu)體成員中最大的對齊模數(shù)的整數(shù)倍。若不滿足，會根據(jù)需要自動填充空缺的字節(jié)。
• 結(jié)構(gòu)體包含另一個結(jié)構(gòu)體成員，則被包含的結(jié)構(gòu)體成員要從其原始結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大對齊模數(shù)的整數(shù)倍地址開始存儲。(比如struct a里存有struct b，b里有char,int,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲。)
• 結(jié)構(gòu)體包含數(shù)組成員，比如char a[3],它的對齊方式和分別寫3個char是一樣的，也就是說它還是按一個字節(jié)對齊。如果寫：typedef char Array[3],Array這種類型的對齊方式還是按一個字節(jié)對齊，而不是按它的長度3對齊。
• 結(jié)構(gòu)體包含共用體成員，則該共用體成員要從其原始共用體內(nèi)部最大對齊模數(shù)的整數(shù)倍地址開始存儲。

現(xiàn)在給出一個結(jié)構(gòu)體，我們針對win-32和Linux-32進行分析,例1：

struct MyStruct
{
    char a;
    int b;
    long double c;
};

解答：
win-32位系統(tǒng)下：
由上圖可知該結(jié)構(gòu)體的最大對齊模數(shù)為sizeof(long double)=8；假設(shè)MyStruct從地址空間0x0000開始存放。char為1個字節(jié)，所以a存放于0x0000中；int為4個字節(jié)，根據(jù)規(guī)則，b存儲的起始地址必須為其對齊模數(shù)4的整數(shù)倍，所以a后面自動填充空缺字節(jié)空間0x0001-0x0003，因此b存放于0x0004-0x0007中。long double是8個字節(jié)，由于32位系統(tǒng)每次最多分配4個字節(jié)，則首先分配0x0008-0x000B，由于不夠存儲空間，則繼續(xù)分配0x000C-0x000F,所以c存儲在0x0008-0x000F中，由于此時總存儲空間為4+4+8=16；則16滿足最大對齊模數(shù)sizeof(long double)=8的整數(shù)倍；因此，sizeof(MyStruct)=16個字節(jié)。
Linux-32位系統(tǒng)下：

由上圖可知該結(jié)構(gòu)體的最大對齊模數(shù)為4；假設(shè)MyStruct從地址空間0x0000開始存放。char為1個字節(jié)，所以a存放于0x0000中；int為4個字節(jié)，根據(jù)規(guī)則，b存儲的起始地址必須為其對齊模數(shù)4的整數(shù)倍，所以a后面自動填充空缺字節(jié)空間0x0001-0x0003，因此b存放于0x0004-0x0007中。long double是12個字節(jié)，由于32位系統(tǒng)每次最多分配4個字節(jié)，則首先分配0x0008-0x000B，由于不夠存儲空間，則繼續(xù)分配0x000C-0x000F,仍然不滿足存儲c，則繼續(xù)分配0x0010-0x0013，所以c存儲在0x0008-0x0013中，由于此時總存儲空間為4+4+12=20；則20滿足最大對齊模數(shù)4的整數(shù)倍；因此，sizeof(MyStruct)=20個字節(jié)。

注：以下的所有例子都是在win-32下實現(xiàn)

例2：

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

由上圖可知該結(jié)構(gòu)體的最大對齊模數(shù)為sizeof(int)=4；假設(shè)B從地址空間0x0000開始存放。char為1個字節(jié)，所以a存放于0x0000中；int為4個字節(jié)，根據(jù)規(guī)則，b存儲的起始地址必須為其對齊模數(shù)4的整數(shù)倍，所以a后面自動填充空缺字節(jié)空間0x0001-0x0003，因此b存放于0x0004-0x0007中。c也是char類型，所以c存放在0x0008中；此時結(jié)構(gòu)體B總的大小為4+4+1=9個字節(jié)；則9不能滿足最大對齊模數(shù)4的整數(shù)倍；因此在c的后面自動填充空間0x0009-0x000B，使其滿足最大對齊模數(shù)的倍數(shù)，最終結(jié)構(gòu)體B的存儲空間為0x0000-0x000B；則sizeof(B)=12個字節(jié)。
例3：空結(jié)構(gòu)體

struct C{  
    };

sizeof(C) = 0或sizeof(C);C為空結(jié)構(gòu)體，在C語言中占0字節(jié)，在C++中占1字節(jié)。

例4：結(jié)構(gòu)體有靜態(tài)成員

struct D{  
     char a;  
     int b;  
     static double c; //靜態(tài)成員  
};  

靜態(tài)成員變量存放在全局數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，在編譯的時候已經(jīng)分配好內(nèi)存空間，所以對結(jié)構(gòu)體的總內(nèi)存大小不做任何貢獻；因此，sizeof(D)=4+4=8個字節(jié)
例5：結(jié)構(gòu)體中包含結(jié)構(gòu)體

struct E{  
    int a;  
    double b;  
    float c;  
};  
struct F{  
    char e[2];  
    int f;  
    short h;  
    struct E i;  
};

在結(jié)構(gòu)體E中最大對齊模數(shù)是sizeof(double)=8；且sizeof(E)=8+8+8=24個字節(jié)；在結(jié)構(gòu)體F中，除了結(jié)構(gòu)體成員E之外，其他的最大對齊模數(shù)是sizeof(int)=4；又因為結(jié)構(gòu)體E中最大對齊模數(shù)是sizeof(double)=8；所以結(jié)構(gòu)體F的最大對齊模數(shù)取E的最大對齊模數(shù)8；因此，sizeof(F)=4+4+8+24=40個字節(jié)。
例6：結(jié)構(gòu)體包含共用體

union union1  
{  
    long a;  
    double b;  
    char name[9];  
    int c[2];  
};  
struct E{  
    int a;  
    double b;  
    float c;  
    union1 MyUnion;  
};  

共用體中的最大對齊模式是sizeof(double)=8；則sizeof(union1)=16；結(jié)構(gòu)體E的最大對齊模數(shù)也是8；則sizeof(E)=8+8+8+16=40個字節(jié)。
例7：結(jié)構(gòu)體包含指針成員

typedef  struct A{  
    char a;  
    int b;  
    float c;  
    double d;  
    int *p;  
    char *pc;  
    short e;  
}A;  

結(jié)構(gòu)體包含的指針成員的大小根據(jù)系統(tǒng)類型決定，由于這里是在win-32位系統(tǒng)下分析，則指針大小為4個字節(jié)；因此，結(jié)構(gòu)體A的最大對齊模數(shù)為sizeof(double)=8；則sizeof(A)=4+4+8+8+4+4+8=40個字節(jié)。

存在#pragma pack宏的對齊####

#pragma pack (n)    //編譯器將按照n個字節(jié)對齊  
#pragma pack ()     //取消自定義字節(jié)對齊方式  

對齊規(guī)則
結(jié)構(gòu)，聯(lián)合，或者類的數(shù)據(jù)成員，第一個放在偏移為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員的對齊，按照#pragma pack指定的數(shù)值和自身對齊模數(shù)中較小的那個。
例8：按指定的對齊模數(shù)

#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/  
struct G{  
    char b;  
    int a;  
    double d;  
    short c;  
};  
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復(fù)缺省對齊*/  

在結(jié)構(gòu)體G中成員變量的最大對齊模數(shù)是sizeof(double)=8；又因為指定對齊模數(shù)是2；所以取其較小者2為結(jié)構(gòu)體G的最大對齊模數(shù)；則sizeof(G)=2+4+8+2=16；由于16是2的整數(shù)倍，則不需要填充。

總結(jié)####

在分析結(jié)構(gòu)體字節(jié)對齊時，首先確定有沒有利用#pragma pack()宏定義指定對齊模數(shù)；根據(jù)情況對應(yīng)上面進行兩種情況分析，針對不同的系統(tǒng)會得到不同的結(jié)果。

補充：####

• 在Visual C++下可以用__declspec(align(#))聲明數(shù)據(jù)按#字節(jié)對齊
• GUN C下可以使用以下命令:
  • __attribute__((aligned (n)))，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長度大于n，則按照最大成員的長度來對齊
  • __attribute__((__packed__))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過程中的優(yōu)化對齊，按照實際占用字節(jié)數(shù)進行對齊。
• C++11新加關(guān)鍵字alignas(n)

參考鏈接：
結(jié)構(gòu)體字節(jié)對齊詳解
字節(jié)對齊（強制對齊以及自然對齊）
alignas用法