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关于面试题中结构体内存对齐计算总结

内存对齐计算可谓是笔试题的必考题,但是如何按照计算原则算出正确答案一开始也不是很容易的事,所以专门通过例子来复习下关于结构体内存对齐的计算问题。(编译环境为vs2015)

对齐原则:

原则1:数据成员对齐规则:结构(struct)(或联合(union))的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中,比较小的那个进行。

原则2:结构(或联合)的整体对齐规则: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,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。

原则3:结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。


默认对齐值:

Linux 默认#pragma pack(4)

window 默认#pragma pack(8)

注: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就是指定的“对齐系数”。


例一:一字节对齐

第一步: 成员数据对齐

#pragma pack(1)
struct AA {
    int a;   //长度4 < 1 按1对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 = 1 按1对齐;偏移量为4;存放位置区间[4]
    short c; //长度2 > 1 按1对齐;偏移量为5;存放位置区间[5,6]
    char d;  //长度1 = 1 按1对齐;偏移量为6;存放位置区间[7]
    //整体存放在[0~7]位置区间中,共八个字节。
};
#pragma pack()

第二步: 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1,所以不需要再进行整体对齐。整体大小就为8。

图示如下:

这里写图片描述


例二:二字节对齐

第一步: 成员数据对齐

#pragma pack(2)
struct AA {
    int a;   //长度4 > 2 按2对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 2 按1对齐;偏移量为4;存放位置区间[4]
    short c; //长度2 = 2 按2对齐;偏移量要提升到2的倍数6;存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 2 按1对齐;偏移量为7;存放位置区间[8];共九个字节
};
#pragma pack()

第二步: 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2,将9提升到2的倍数,则为10.所以最终结果为10个字节。

图示如下:(X为补齐部分)

这里写图片描述


例三:四字节对齐

第一步: 成员数据对齐

#pragma pack(4)
struct AA {
    int a;   //长度4 = 4 按4对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 4 按1对齐;偏移量为4;存放位置区间[4]
    short c; //长度2 < 4 按2对齐;偏移量要提升到2的倍数6;存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 4 按1对齐;偏移量为7;存放位置区间[8];总大小为9
};
#pragma pack()

第二步: 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4,将9提升到4的倍数,则为12.所以最终结果为12个字节。

图示如下:(X为补齐部分)

这里写图片描述


例三:八字节对齐

第一步: 成员数据对齐

#pragma pack(8)
struct AA {
    int a;   //长度4 < 8 按4对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,3]
    char b;  //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为4;存放位置区间[4]
    short c; //长度2 < 8 按2对齐;偏移量要提升到2的倍数6;存放位置区间[6,7]
    char d;  //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为7;存放位置区间[8],总大小为9
};
#pragma pack()

第二步: 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4,将9提升到4的倍数,则为12.所以最终结果为12个字节。图示如上。

注:可以通过stddef.h库中的offsetof宏来查看对应结构体元素的偏移量。


例四:结构体中包含结构体的运算

整体计算过程如下

struct EE
{
    int a;      //长度4 < 8 按4对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,3]
    char b;     //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为4;存放位置区间[4]
    short c;    //长度2 < 8 按2对齐;偏移量由5提升到6;存放位置区间[6,7]
    //结构体内部最大元素为int,由于偏移量为8刚好是4的整数倍,所以从8开始存放接下来的struct FF
    struct FF
    {
        int a1;     //长度4 < 8 按4对齐;偏移量为8;存放位置区间[8,11]
        char b1;    //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为12;存放位置区间[12]
        short c1;   //长度2 < 8 按2对齐;偏移量为13,提升到2的倍数14;存放位置区间[14,15]
        char d1;    //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为16;存放位置区间[16]
    };
    //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4,将内存大小由17补齐到4的整数倍20
    char d;         //长度1 < 8 按1对齐;偏移量为21;存放位置区间[21]
    //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4,将内存大小由21补齐到4的整数倍24
};

图示如下:

这里写图片描述

例五:再来一个嵌套结构体的计算

整体计算过程如下

struct B {
    char e[2];      //长度1 < 8 按2对齐;偏移量为0;存放位置区间[0,1]
    short h;        //长度2 < 8 按2对齐;偏移量为2;存放位置区间[2,3]
    //结构体内部最大元素为double,偏移量为4,提升到8,所以从8开始存放接下来的struct A
    struct A {
        int a;      //长度4 < 8 按4对齐;偏移量为8;存放位置区间[8,11]
        double b;   //长度8 = 8 按8对齐;偏移量为12,提升到16;存放位置区间16,23]
        float c;    //长度4 < 8,按4对齐;偏移量为24,存放位置区间[24,27]
    };
    //整体对齐系数 = min((max(int,double,float), 8) = 8,将内存大小由28补齐到8的整数倍32
};

图示如下:

这里写图片描述

小结: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。

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