关于 Union,Struct and Class的大小计算问题的思考(转)&union和struct类型的大小计算(转)

关于 Union,Struct and Class的大小计算问题的思考(转)&
union和struct类型的大小计算(转)


在最近的项目中，我们涉及到了“内存对齐”技术。对于大部分程序员来说，“内存对齐”对他们来说都应该是“透明的”。“内存对齐”应该是编译器的
“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。但是C语言的一个特点就是太灵活，太强大，它允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再透明了。

一、内存对齐的原因

大部分的参考资料都是如是说的：

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。

二、对齐规则

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”。

规则：

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。

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。

3、结合1、2颗推断：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。

三、试验

我们通过一系列例子的详细说明来证明这个规则吧!

我试验用的编译器包括GCC 3.4.2和VC6.0的C编译器，平台为Windows XP + Sp2。

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)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack(n)

首先我们首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为：

sizeof(char) = 1

sizeof(short) = 2

sizeof(int) = 4

我们的试验过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后察看sizeof(struct
test_t)的值。

1、1字节对齐(#pragma pack(1))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]

分析过程：

1) 成员数据对齐

#pragma pack(1)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack()

成员总大小=8

2) 整体对齐

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 [注1]

2、2字节对齐(#pragma pack(2))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]

分析过程：

1) 成员数据对齐

#pragma pack(2)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

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

3、4字节对齐(#pragma pack(4))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

1) 成员数据对齐

#pragma pack(4)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

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

4、8字节对齐(#pragma pack(8))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

1) 成员数据对齐

#pragma pack(8)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

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

5、16字节对齐(#pragma pack(16))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

1) 成员数据对齐

#pragma pack(16)

struct test_t {

int a;

char b;

short c;

char d;

};

#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

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

四、结论

8字节和16字节对齐试验证明了“规则”的第3点：“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”。另外内存对齐是个很复杂的东西，上面所说的在有些时候也可能不正确。呵呵^_^

五、类的sizeof大小一般是类中的所有成员的sizeof大小之和，这个就不用多说。 不过有两点需要注意：
1）当类中含有虚成员函数的时候，例如：

class B

{

float a;

public:

virtual void fun(void);

}

此时sizeof(B)的大小为8，而不是4。因为在类中隐藏了一个指针，该指针指向虚函数表，正因为如此，

使得C++能够支持多态，即在运行时绑定函数的地址。

2）另一个要注意的是，当类中没有任何成员变量，也没有虚函数的时候，该类的大小是多少呢？

例如：

class B2

{

void fun(void);

}

此时sizeof(B2)的值是多少呢？在C++早期的编译器中，这个值为0；然而当创建这样的对象时，

它们与紧接着它们后面的对象有相同的地址。比如：

B2 b2;

int a;

那么对象b2与变量a有相同的地址，这样的话对对象b2地址的操作就会影响变量a。所以在现在大多数编译器中，该值的大小为1。

如果有虚函数，则sizeof值为类的数据成员的大小加上VTBL（指针，4字节），再加上其基类的数据成员的大小。如果是多重继承，还得加上各基类的VTBL。

[sammy的思考1]
什么是“圆整”？

举例说明：如上面的8字节对齐中的“整体对齐”，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。

[sammy的思考2]

sammy在调试中发现Union和Struct的计算方法有所不同，除了上述的对齐等规则以外，Union是计算其中最大的字节数，而Struct是相加。如

Union U1

{

Char a[9];

Int b;

};

sizeof(U1
)=12

而结构体：

Struct
S1

{

Char a[9];

Int b;

};

sizeof(S1
)=16

[sammy的思考2]


对于有多个虚函数的类，其大小也只要多计算一个指针的字节数。因为该指针指向虚函数表，只是一个入口指针，而并不是计算所有虚函数的首地址指针。

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union和struct类型的大小计算(转)

union
和
struct
类型的大小计算
:

对于
union
，对齐的大小是最大的基本元素的对齐大小，对象的大小必须是该基本元素大小的整数倍。

如
:

Union U1

{

Char a[9];

Int

b;

};

对齐为
4
字节对齐，大小为大于
9
并且为
4
的倍数，为
12
。

若其中的
int b
改为
double
，则对齐为
8
，大小为
16
。

复杂一点的情况
:

Union U2

{

U1 a;

Double b;

};

对齐是
double
的大小，为
8
，大小应当为是
16
。

对于
stuct
，对齐的大小也是最大的基本元素的对齐的大小，对象的大小需要考虑元素的对齐，并且需要是最大基本元素的整数倍。

Struct S1

{

Char a[13];

Double c;

};

对齐大小为
8
，大小为
24
。

Struct S2

{

S1 a;

U1 b;

};

S1
对齐大小为
8
，
U1
对齐大小为
4,
因此
S2
的对齐大小
8
，体积大小为大于
24+12
且要为
8
的倍数，结果为
40
。

这里所说的
union
和
struct
的对齐，是指其作为其他复杂对象中的元素的时候要求的对齐，对于本身大小的计算并没有关系。本身的大小只和其所包含的基本元素的对齐有关系。

struct
的大小和内部元素的排列是有很大关系的，因此在使用
struct
的时候，安排好元素的位置，可以减少结构体
的大小。

如
:

Struct S3

{

char b;

int

c;

char d[13];

};

根据之前的原则，因为
c
需要
4
字节对齐，因此
b
之后会有
3
字节空余。所以
1+3(
空余
)+4+13=21
，要求为
4
的倍数，则为
24
。

若更改为

Struct S4

{

Char b;

Char d[13];

Int c;

}

则
c
之前会空余
2
字节，所以
1+13+2+4=20
，并且已经为
4
的倍数，所以大小就是
20
。

关于
#pragma_pack()
，该标示用于重新指定对齐的大小，当元素的对齐大于指定的对齐大小的时候，会采用指定的大小，若小于，则指定的对齐大小不会产生效果。

如
:

Union U3

{

Char a[9];

Double b;

};

该
union
的对齐为
8
，大小为
16(
大于
9
且为
8
的倍数
)
。

若加上

#pragma_pack(4)

则对于
U3
中的基本元素
b,
其对齐由原来的
8
变为
4
，而
a
的对齐仍然是
1
，则
U3
的对齐为
4
，大小为
12
。

当然
U3
的对齐也由
8
变成了
4
。