结构体内存对齐

简介: 结构体内存对齐

1.结构体内存对齐


这里有两个结构体,它们的成员相同,只是在声明结构体时这些成员的顺序不同


struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
struct S2
{
  char c1;
  char c2;
  int i;
};



它们的大小是相同的吗?


int main()
{
  printf("S1:%d\n", sizeof(struct S1));
  printf("S2:%d\n", sizeof(struct S2));
  return 0;
}


得到的结果:

22c0f99b44b04cc8865cc3b041a7a1d5.png

S1占12个字节,S2占8个字节,明明它们的成员变量都相同,为什么会不同呢?


原因就是:结构体存在一个内存对齐机制


下面以S1结构体为例


1.结构体的第一个成员,对齐到结构体在内存中放置位置的0偏移处


所以第一个成员变量char c1放在0偏移处




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2.从第二个成员开始,每个成员都要对齐到一个对齐数的整数倍处


对齐数:结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值

VS:默认对齐数是8

gcc:没有默认对齐数,对齐数就是成员自身大小


按照上面的规则,int i大小为4,小于默认对齐数8,所以它的对齐数是4,要把i放到对齐数的正数倍处,也就是偏移4处



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此时已经浪费了偏移量为1,2,3的3个字节


接下来是char c2,它的大小为1,小于默认对齐数8,所以它的对齐数为1,8为1的倍数,所以c2放到偏移为8的字节处

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3.结构体的总大小必须是所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍


S1结构体中各成员变量中对齐数最大的是4,所以结构体总大小应为4的倍数,存完c2时大小为9,所以结构体总大小是12



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接下来计算一下S2的大小:

char c1占1字节,并且是第一个成员变量,对齐到0偏移处



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第二个成员是char c2,大小1字节,小于8,所以它的对齐数是1



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到int i占4字节,小于8,所以应对齐到4的倍数处




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最大对齐数是4,所以结构体总大小应是4的倍数,根据前面的推理,S2的总大小是8字节


dc6f104a424a495fabce7005e7a75ec5.png

还有一种情况是一个结构体内嵌套了其他结构体的情况


4.如果结构体中嵌套了结构体成员,要将嵌套的结构体对齐到自己成员中最大对齐数的整数倍处

并且计算最大对齐数时也包含嵌套的结构体中的各个成员的对齐数


计算S4的大小


struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
struct S4
{
  char c1;
  struct S3;
  double d;
};


S4中嵌套S3,所以应该先计算S3的大小


得出,S3的大小为16



1404f9d519254ae6900212402948ba47.png



下面计算S4大小


char c1在0偏移处,占1字节






接下来到了struct S3,S3的最大对齐数是8,所以S3对齐到8的倍数处,并且占16个字节


double d占8个字节,对齐到8的倍数处


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最后计算结构体的总大小,包含S3的各个对齐数,S4中最大的对齐数为8,所以大小为8的倍数





前面1cf18ec5802849b4b4aa0502e1f85479.png


c68e079f6dc34f73adcf2e45f5ea7518.png




根据几个例子,将内存对齐机制的几点规则讲了一遍,下面总结一下:


1.结构体的第一个成员,对齐到结构体在内存中放置位置的0偏移处

2.从第二个成员开始,每个成员都要对齐到一个对齐数的整数倍处

3.对齐数:结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值,VS:默认对齐数是8,gcc:没有默认对齐数,对齐数就是成员自身大小

4.结构体的总大小必须是所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍,如果嵌套了别的结构体,计算最大对齐数时也包含嵌套的结构体中的各个成员的对齐数

5.如果结构体中嵌套了结构体成员,要将嵌套的结构体对齐到自己成员中最大对齐数的整数倍处

同样成员的结构体,不同结构体可能占用的空间不同,我们设计结构体时尽可能让占用空间小

把占用空间小的成员集中在一起,尽可能减少浪费空间


2.为什么存在内存对齐

1.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上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。


2.性能原因:

数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。

原因在于:为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。


一个结构体中有char c和int i2个成员

假如没有内存对齐:

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如果机器是32为机器的话,一次可以操作4个字节空间

那么int i就需要操作2次能进行操作,所以才有了内存对齐机制,是数据的操作更直接快速

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可以把内存对齐理解为用“空间”换“时间”


3.修改默认对齐数

可以通过#pragma pack(n)来设置默认对齐数,n为要设置的默认对齐数

#pragma pack(),是取消设置的默认对齐数,还原为默认


结构在对齐方式不合适的时候,我么可以自己更改默认对齐数。

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
int main()
{
  printf("默认对齐数为8时S1的大小:%d\n", sizeof(struct S1));
}


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#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
int main()
{
  printf("默认对齐数为1时S1的大小:%d\n", sizeof(struct S1));
}




前面提到了,设置内存对齐是牺牲空间换取时间,那么修改对齐数的目的是什么呢?

是某些地方空间很宝贵,所以宁可花费时间,也要尽可能的减少空间浪费


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