C 语言结构体的对齐原则

Q:关于结构体的对齐,到底遵循什么原则?

A:首先先不讨论结构体按多少字节对齐,先看看只以1字节对齐的情况:

输出:

sizeof(student) is 7
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 1
OFFSET(student,age) is 3
可以看到,如果按1字节对齐,那么结构体内部的成员紧密排列,sizeof(char) == 1, sizeof(short) == 2, sizeof(int) == 4.

修改上面的代码, 去掉#pragma pack语句,代码如下:

运行结果:

sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

此时,各个成员之间就不像之前那样紧密排列了,而是有一些缝隙。这里需要介绍下对齐原则:

此原则是在没有#pragma pack语句作用时的原则(不同平台可能会有不同):

原则A:struct或者union的成员,第一个成员在偏移0的位置,之后的每个成员的起始位置必须是当前成员大小的整数倍;

原则B:如果结构体A含有结构体成员B,那么B的起始位置必须是B中最大元素大小整数倍地址;

原则C:结构体的总大小,必须是内部最大成员的整数倍;

依据上面3个原则,我们来具体分析下: sex在偏移0处,占1字节;score是short类型,占2字节,score必须以2的整数倍为起始位置,所以它的起始位置为2; age为int类型,大小为4字节,它必须以4的整数倍为起始位置,因为前面有sex占1字节,填充的1字节和score占2字节,地址4已经是4的整数倍,所以age的位置为4.最后,总大小为4的倍数,不用继续填充。

继续修改上面的代码,增加#pragma pack语句:

运行结果:

sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

具体分析下:

有了#pragma pack(4)语句后,之前说的原则A和C就不适用了。实际对齐原则是自身对齐值(成员sizeof大小)和指定对齐值(#pragma pack指定的对齐大小)的较小者。依次原则,sex依然偏移为0, 自身对齐值为1,指定对齐值为4,所以实际对齐为1; score成员自身对齐值为2,指定对齐值为4,实际对齐为2;所以前面的sex后面将填充一个1字节,然后是score的位置,它的偏移为2;age自身对齐值为4,指定对齐为4,所以实际对齐值为4;前面的sex和score正好占用4字节,所以age接着存放;它的偏移为4.

Q:关于位域的问题,空域到底表示什么?
A:它表示之后的位域从新空间开始。

运行结果:
sizeof(bit_info) is 8
bit_info中的a, b占用4个字节的前4位,到int:0; 时表示此时将填充余下所有没有填充的位,即刚刚的4个字节的余下28位;int d:2; 将从第四个字节开始填充,又会占用4个字节,所以总大小为8.

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