结构体对齐规则及举例

结构体概念
结构体声明
C语言中char、short、int、long各占多少字节
C语言中编译器字节对齐
- 自然对齐
- 字节对齐
- 为什么要字节对齐
- 正确处理字节对齐
- __attribute__选项
- 什么时候需要设置对齐
- 更改C编译器的缺省字节对齐方式
结构体对齐规则
C++中的结构体struct---类

结构体概念

一种数据结构；
C语言中聚合数据类型的一类；
可以被声明为变量、数组、指针等，用以实现比较复杂的数据结构；
是一系列元素的集合，这些元素被称为结构体成员；
结构体成员需要用结构体名访问。

结构体声明

struct A{  //struct是关键字， A是结构体标志int a; //a,b是结构体成员列表char b;
}s1;       //s1是结构体变量

注意事项：

一般情况下，声明出现三个部分的两个部分即可（标志或者变量可省略）
结构体可以包含其他结构体，也可以包含指向自己的指针
结构体互相包含时，需要对其中一个进行不完整声明

C语言中char、short、int、long各占多少字节

编程语言上的32位与64位差异主要体现在基本类型的位长上。C/C++等语言仅仅定义了这些基本数据类型之间的关系，并没有严格定义它们的字长。不同操作系统平台上存在不同。注意占据的字节数跟操作系统没有关系，跟使用的编译器有关，和编译器的数据模型相关

其中，LP64，ILP64，LLP64是64位平台上的字长模型，ILP32和LP32是32位平台上的字长模型。LP64指long和pointer是64位，ILP64指int、long和pointer是64位，LLP64指long long和pointer是64位，ILP32指int、long和pointer是32位，LP32指long和pointer是32位的。

32位windows采用的是ILP32数据模型，64位windows采用的是LLP64数据模型，32位Linux采用的是ILP32模型，64位Unix / Linux使用的是LP64模型。

在标准C中规定，长整型(无论无符号或者有符号)至少占用32位，标准没有规定 long 长度，这是编译器和系统选择的。在OS的ABI中应当有数据类型大小的定义。

以下引自维基 64位数据模型

在32位程序中，指针和数据类型（例如整数）通常具有相同的长度。在64位计算机上不一定是这样。因此，在C等编程语言及其后代（例如C ++和Objective-C ）中混合数据类型可能适用于32位实现，但不适用于64位实现。
在许多用于64位计算机上C和C派生语言的编程环境中，int变量仍然是32位宽，但是长整数和指针是64位宽。这些被描述为具有LP64 数据模型。另一个替代方法是ILP64数据模型，其中所有三种数据类型均为64位宽，甚至是短整数也为64位宽的SILP64。但是，在大多数情况下，所需的修改相对较小且简单明了，许多编写良好的程序可以简单地为新环境重新编译而无需更改。另一种替代方法是LLP64模型，它通过使两个保持与32位代码的兼容性int和long为32位。LL指的是long long整数类型，在包括32位环境在内的所有平台上至少为64位。

数据类型转换原则

C语言中编译器字节对齐

自然对齐

对齐跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址正好位于它长度的整数倍，他就被称做自然对齐。比如在32位cpu下，假设一个整型变量的地址为0x00000004，那它就是自然对齐的。

字节对齐

在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然边（alignment）分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。为了使CPU能够对变量进行快速的访问,变量的起始地址应该具有某些特性,即所谓的”对齐”.

为什么要字节对齐

需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。假设上面整型变量的地址不是自然对齐，比如为0x00000002，则CPU如果取它的值的话需要访问两次内存，第一次取从0x00000002-0x00000003的一个short，第二次取从0x00000004-0x00000005的一个short然后组合得到所要的数据，如果变量在0x00000003地址上的话则要访问三次内存，第一次为char，第二次为short，第三次为char，然后组合得到整型数据。而如果变量在自然对齐位置上，则只要一次就可以取出数据。一些系统对对齐要求非常严格，比如sparc系统，如果取未对齐的数据会发生错误，举个例：

　　char ch[8];char *p = &ch[1];int i = *(int *)p;

运行时会报segment error，而在x86上就不会出现错误，只是效率下降。

正确处理字节对齐

对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍就行了，而非标准数据类型按下面的原则对齐：
数组：按照基本数据类型对齐，第一个对齐了后面的自然也就对齐了。
联合：按其包含的长度最大的数据类型对齐。
结构体：结构体中每个数据类型都要对齐。
比如有如下一个结构体：

struct stu
{char sex;int length;char name[10];
};
struct stu my_stu;

由于在x86下，GCC默认按4字节对齐，它会在sex后面跟name后面分别填充三个和两个字节使length和整个结构体对齐。于是我sizeof(my_stu)会得到长度为20，而不是15.

attribute选项

我们可以按照自己设定的对齐大小来编译程序，GNU使用__attribute__选项来设置，比如我们想让刚才的结构按一字节对齐，我们可以这样定义结构体

struct stu
{char sex;int length;char name[10];
}attribute ((aligned (1)));struct stu my_stu;

则sizeof(my_stu)可以得到大小为15。上面的定义等同于

struct stu
{char sex;int length;char name[10];
}attribute ((packed));struct stu my_stu;

attribute((packed))得变量或者结构体成员使用最小的对齐方式，即对变量是一字节对齐，对域（field）是位对齐.

什么时候需要设置对齐

1.在设计不同CPU下的通信协议;
2.编写硬件驱动程序时寄存器的结构这两个地方都需要按一字节对齐;
3.文件系统中数据存储（项目代码中使用的原因）

更改C编译器的缺省字节对齐方式

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

另外，还有如下的一种方式：

attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
attribute ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

结构体对齐规则

计算结构体大小不是元素单纯相加；
32位CPU取四个字节比一个字节更高效方便；
若每个元素首地址都是4的整数倍，取数据元素就能更高效方便；
每个特定平台上编译器都有自己的默认的对齐系数（对齐模数），可通过编译命令来改变这一系数；
#pragma pack(n);//n=1,2,4,8,16,其中n就是你想要指定的系数。
一般情况下32位默认4字节对齐。

对齐原因

平台原因（移植原因）
不是所有的硬件平台都能访问任意地址的任意数据，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据的，否则抛出硬件异常。
性能原因
数据结构（尤其是栈），应该尽可能在自然边界上对齐，因为在访问为对齐的内存时，处理器需要访问两次，而对齐的内存处理器只需要访问一次。

对齐规则

第一个成员在与结构体变量偏移量(offset)为0的地址处。
其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处。
- 对齐数 = 对齐系数与该成员大小的较小值。
- #pragma pack(n);中的n就是对齐系数。
- VS中默认的值为8；linux中的默认值为4。
结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量除了第一个成员都有一个对齐数）的整数倍。
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

举例说明对齐原则

1.下面的结构体大小分别是多大（假设32位机器）？
struct A {char a; //1
char b; //1
char c; //1
};
//进行整体对齐，最大类型为1<对齐系数4，按1整体对齐，所以1+1+1=3
struct B {int a;  //4
char b; //1
short c;//2
};
//进行整体对齐，最大类型为4=对齐系数4，所以按4整体对齐4 1+2=3<4 对齐4 所以4+4=8
struct C {char b; //1
int a;  //4
short c;//2
};
//进行整体对齐，最大类型为4=对齐系数4，所以按4整体对齐 1<4（对齐4） 4=4 2<4(对齐4)  所以4+4+4=12
#pragma pack(2)
struct D {char b; //1
int a;  //4
short c;//2
};
//进行整体对齐，最大类型为4>对齐系数n(2)，所以按2整体对齐 1<2（对齐2）4>2(2的倍数) 2=2 所以2+4+2=8
答案及解析：3 8 12 82. 有一个如下的结构体：
struct A{long a1;short a2;int a3;int *a4;
};
请问在64位编译器下用sizeof(struct A)计算出的大小是多少？
24
28
16
18答案及解析：24
64位编译器下：指针8字节（一定不能忘记），题目不说默认4字节对齐
long a1;    //8short a2;  //2 8+2=10（不是4的倍数）对齐到4的倍数12int a3;    //4 4+12=16（4的倍数）int *a4;   //8 8+16=24（4的倍数）3.在32位cpu上选择缺省对齐的情况下，有如下结构体定义：
struct A{unsigned a : 19;unsigned b : 11;unsigned c : 4;unsigned d : 29;char index;
};
则sizeof（struct A）的值为（）
9
12
16
20
答案及解析16
题目不说，默认4字节对齐
19+11=30<32bit     4
4+29=33>32bit      4+4
1byte=8bit         1  对齐到 4
4+4+4+4=16

C++中的结构体struct—类

在C++中struct是对于C语言中struct的扩展，因为C++是面向对象的语言，可以描述对象的行为，所以在C++中struct内可以放函数，从而就具有类的功能，但又和class有一定的区别。

class和struct的区别

class默认成员是私有的private，struct默认成员是公有的public
class继承默认是私有的private，struct继承默认是公有的public
C++中结构体可以不要struct关键字，C语言中除了typedef定义别名之外是必须要struct关键字。

参考：https://www.cnblogs.com/wsq-888/p/jie-gou-ti-dui-qi-gui-ze-ji-ju-li.html

更多阅读：面试常考，项目易错，长文详解C/C++中的字节对齐

结构体的对齐规则及举例相关推荐

C语言结构体字节对齐规则
C语言结构体字节对齐规则基本规则规则1 :结构体(struct)的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员存放在offset为该数据成员大小的整数倍的地方(比如int在 ...
整数边界对齐方式_c中结构体边界对齐（转）
c中结构体边界对齐(转) 2011-11-23 11:15:52| 分类: C&C++ | 标签: |字号大中小 C语言结构体对齐也是老生常谈的话题了.基本上是面试题的必考题.结构体到底怎 ...
c语言结构体的对齐方式,C语言结构体内存的对齐知识详解
前言在前面的章节中,我们谈到了C语言中整数以及浮点数的储存今天,我们来谈一谈一些关于结构体内存的知识. 我们先来看一个例子: struct S1 { char c1; int i; char c2 ...
结构体(对齐规则及举例)
结构体(对齐规则及举例) 文章目录结构体(对齐规则及举例) 概念结构体声明结构体对齐规则对齐原因对齐规则举例说明对齐原则 C++中的结构体struct------类 class和struc ...
【C语言】一文搞定如何计算结构体的大小----结构体内存对齐规则
要搞定如何正确地计算一个结构体的大小,我们就要深刻理解结构体内存对齐规则: 结构体内存对齐规则: 1.结构体的第一个成员永远在结构体起始位置偏移量为0的位置: 2.结构体成员从第二个成员开始,总是放在 ...
结构体字节对齐详解【含实例】
一.前言结构体字节对齐属于老生常谈的问题,看似简单,却很容易忘记.而且因为结构体使用的普遍性,使得字节对齐也成为了一个不得不谈的话题. 二.什么是结构体字节对齐假设现在有一个结构体如下,问你它的一 ...
结构体字节对齐(转)
结构体字节对齐在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时,并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加,这里涉及到内存字节对齐的问题.从理论上讲,对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问,但是 ...
指定结构体字节对齐方式
指定结构体字节对齐方式 #pragma pack(push,1) typedef struct { int b; char a; }struct_t1; #pragma pack(pop)
一文了解结构体字节对齐
结构体字节对齐详解表述如有不正确的地方,欢迎批评指正. C++/C 常见的基本数据类型: bool short (short int) int long (long int) long long ( ...

结构体的对齐规则及举例