C语言结构体大小及对齐问题

写在前面：
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在之前的 C语言结构体大小及对齐问题文章上有分析过字节对齐的问题，但后面发现分析得不够透彻，于是以此篇继续阐述分析

一、字节对齐回顾

假设定义了如下两个结构体，算一下它们的数据类型长度

// 32位，X86处理器，GCC编译器
struct A{int    a;char   b;short  c;
};
struct B{char   b;int    a;short  c;
};

已知 32位机器上各数据类型的长度为：char为 1字节、short为 2字节、int为 4字节、long为 4字节、float为 4字节、double为 8字节。那么上面两个结构体大小如何呢？

结果是：sizeof(strcut A)值为 8；sizeof(struct B)的值却是 12。

结构体 A中包含一个 4字节的 int数据，一个 1字节 char数据和一个 2字节 short数据；B也一样。按理说 A和 B大小应该都是 7字节。之所以出现上述结果，就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。具体的计算分析可以参看之前的 C语言结构体大小及对齐问题

二、处理器间数据通信

处理器间通过消息(对于C/C++而言就是结构体)进行通信时，需要注意字节对齐以及字节序的问题。

大多数编译器提供内存对其的选项供用户使用。这样用户可以根据处理器的情况选择不同的字节对齐方式。例如C/C++编译器提供的#pragma pack(n) n=1，2，4等，让编译器在生成目标文件时，使内存数据按照指定的方式排布在1，2，4等字节整除的内存地址处。

然而在不同编译平台或处理器上，字节对齐会造成消息结构长度的变化。编译器为了使字节对齐可能会对消息结构体进行填充，不同编译平台可能填充为不同的形式，大大增加处理器间数据通信的风险。

下面以 32位处理器为例，提出一种内存对齐方法以解决上述问题。

对于本地使用的数据结构，为提高内存访问效率，采用四字节对齐方式；同时为了减少内存的开销，合理安排结构体成员的位置，减少四字节对齐导致的成员之间的空隙，降低内存开销。
对于处理器之间的数据结构，需要保证消息长度不会因不同编译平台或处理器而导致消息结构体长度发生变化，使用一字节对齐方式对消息结构进行紧缩；为保证处理器之间的消息数据结构的内存访问效率，采用字节填充的方式自己对消息中成员进行四字节对齐。

数据结构的成员位置要兼顾成员之间的关系、数据访问效率和空间利用率。

顺序安排原则是：四字节的放在最前面，两字节的紧接最后一个四字节成员，一字节紧接最后一个两字节成员，填充字节放在最后。

例如：

typedef struct tag_T_MSG{long  ParaA;long  ParaB;short ParaC；char  ParaD;char  Pad;       //填充字节
}T_MSG;

三、对齐方式更改

每个特定平台上的编译器都有自己的默认 “对齐系数”（也叫对齐模数）。程序员可以通过预编译命令 #pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16 来改变这一系数，其中的 n就是你要指定的 “对齐系数”。

对齐方式的更改主要是更改 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。

接下来我们通过实际例子来说明这些规则。

试验环境：Dev C++ 5.11。

平台：Windows 8。

我们将用典型的 struct对齐来说明。首先我们定义一个 struct：

#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t{int a;char b;short c;char d;
};
#pragma pack()

1、字节对齐(#pragma pack(1))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 8

分析过程：

#pragma pack(1)struct test_t {/* 长度4 > 1 按1 对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */   int a;/* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */char b;/* 长度2 > 1 按1 对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */short c;/* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7] */char d;
};#pragma pack()

成员总大小=8

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 1) = 1

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整= 8 /* 8%1=0 */ [注1]

[注1] 什么是圆整

举例说明：假设整体大小=9 按4 圆整= 12

圆整的过程：从9 开始每次加一，看是否能被4 整除，这里9，10，11 均不能被4 整除，到12 时可以，则圆整结束。

2、字节对齐(#pragma pack(2))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 10

分析过程：

#pragma pack(2)struct test_t {/* 长度4 > 2 按2 对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */int a;/* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */char b;/* 长度2 = 2 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */short c;/* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */char d;
};#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 2) = 2

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整= 10 /* 10%2=0 */

3、字节对齐(#pragma pack(4))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12

分析过程：

#pragma pack(4)struct test_t {/* 长度4 = 4 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */int a;/* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */char b;/* 长度2 < 4 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */short c;/* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */char d;
};#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 4) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

4、字节对齐(#pragma pack(8))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12

分析过程：

#pragma pack(8)struct test_t {/* 长度4 < 8 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */int a;/* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */char b;/* 长度2 < 8 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */short c; /* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */char d;
};#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 8) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

5、字节对齐(#pragma pack(16))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12

分析过程：

#pragma pack(16)struct test_t {/* 长度4 < 16 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */int a;/* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */char b;/* 长度2 < 16 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */short c;/* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */char d;
};#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 16) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

四、总结分析

数据成员对齐规则（结构体或类的自身对齐值）：其成员中自身对齐值最大的那个值。
整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构（或联合）本身也要进行对齐，自身对齐值和指定对齐值中较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的 pack值}。
推测：当 #pragma pack 的 n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个 n值的大小将不产生任何效果。