编程C

C笔记-数据结构对齐

作者：聂勇 欢迎转载，请保留作者信息并说明文章来源！

数据结构对齐其实涉及到两个概念：数据对齐（data alignment）和数据结构填充（data structure padding）。计算机以块为单位（在32位系统中，以4 bytes为单位）对内存进行数据读写，因为这样可以提升CPU处理的性能。另外，为了数据对齐，需要在部分数据的尾部插入一些无意义的数据进行填充。

数据对齐规则 | data alignment rules

每个平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这个系数。
1、 结构中的第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(对齐系数，数据成员的自身长度) 的倍数。
2、数据成员完成各自对齐之后，结构本身也要进行对齐。

数据对齐长度 | data alignment length

Microsoft (Visual C++), Borland/CodeGear (C++Builder), Digital Mars (DMC) and GNU (GCC)在32位x86平台中默认的对齐长度如下：

数据类型 对齐长度 备注
char 1 byte
short 2 bytes
int 4 bytes
long 4 bytes
float 4 bytes
double Windows：8 bytes
Linux：4 bytes （编译时增加可选参数 -malign-double 为8 bytes对齐）
long double Visual C++：8 bytes (待验证)
C++Builder / DMC：10 bytes (待验证)
GCC：12 bytes(待验证)
pointer 4 bytes  

在64位x86平台与32位x86平台有以下类型的默认的对齐长度不同：

数据类型 对齐长度 备注
long 8 bytes
double 8 bytes
long double Visual C++：8 bytes (待验证)
GCC：16 bytes
pointer 8 bytes  

实例 | example

源码

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#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main ( int argc, char *argv[] )
{
    struct data1{
        char a;
        char b;
        int    c;
        char *d;
        char e;
    } a1;
    
    struct data2 {
        char a;
        int    c;
        char b;
        char *d;
        char e;
    } a2;
    struct data3 {
        char a;
        char b;
        char e;
        int    c;
        char *d;
    } a3;
    struct data4 {
        char a;
        char *d;
        char b;
        char e;
        int    c;
    } a4;
    printf("sizeof(a1)=%lu\n", sizeof(a1));
    printf("%p %p %p %p %p\n", &(a1.a), &(a1.b), &(a1.c), &(a1.d), &(a1.e));
    printf("%ld %ld %ld %ld\n\n", (char*)&(a1.b) - (char*)&(a1.a), (char*)&(a1.c) - (char*)&(a1.b), (char*)&(a1.d) - (char*)&(a1.c), (char*)&(a1.e) - (char*)&(a1.d));
    printf("sizeof(a2)=%lu\n", sizeof(a2));
    printf("%p %p %p %p %p\n", &(a2.a), &(a2.c), &(a2.b), &(a2.d), &(a2.e));
    printf("%ld %ld %ld %ld\n\n", (char*)&(a2.c) - (char*)&(a2.a), (char*)&(a2.b) - (char*)&(a2.c), (char*)&(a2.d) - (char*)&(a2.b), (char*)&(a2.e) - (char*)&(a2.d));
    printf("sizeof(a3)=%lu\n", sizeof(a3));
    printf("%p %p %p %p %p\n", &(a3.a), &(a3.b), &(a3.e), &(a3.c), &(a3.d));
    printf("%ld %ld %ld %ld\n\n", (char*)&(a3.b) - (char*)&(a3.a), (char*)&(a3.e) - (char*)&(a3.b), (char*)&(a3.c) - (char*)&(a3.e), (char*)&(a3.d) - (char*)&(a3.c));
    printf("sizeof(a4)=%lu\n", sizeof(a4));
    printf("%p %p %p %p %p\n", &(a4.a), &(a4.d), &(a4.b), &(a4.e), &(a4.c));
    printf("%ld %ld %ld %ld\n", (char*)&(a4.d) - (char*)&(a4.a), (char*)&(a4.b) - (char*)&(a4.d), (char*)&(a4.e) - (char*)&(a4.b), (char*)&(a4.c) - (char*)&(a4.e));
    return EXIT_SUCCESS;
}

运行结果

sizeof(a1)=24
0x7fffbd59e0c0 0x7fffbd59e0c1 0x7fffbd59e0c4 0x7fffbd59e0c8 0x7fffbd59e0d0
1 3 4 8

sizeof(a2)=32
0x7fffbd59e0a0 0x7fffbd59e0a4 0x7fffbd59e0a8 0x7fffbd59e0b0 0x7fffbd59e0b8
4 4 8 8

sizeof(a3)=16
0x7fffbd59e090 0x7fffbd59e091 0x7fffbd59e092 0x7fffbd59e094 0x7fffbd59e098
1 1 2 4

sizeof(a4)=24
0x7fffbd59e070 0x7fffbd59e078 0x7fffbd59e080 0x7fffbd59e081 0x7fffbd59e084
8 8 1 3

内存示意图

内存示意图

说明：

  • 斜线部分表示填充区域
  • 上述代码在RedHat 5.7 b4bit系统中编译和运行，其默认的对齐系数是8 bytes

提示：

  • 当struct本身是一个struct或union中的成员时，其对齐系数是struct中最大长度的成员的长度。
  • 为了节省内存，占用内存小的成员放在结构的前面，占用内存大的成员放在结构的后面。
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