结构体字节对齐笔记(Mac OS 10.9 中测试)

前言

结构体字节对齐相关的文章网络上有很多，看了其中几篇写的不错的之后，做了一点总结，仅供自己日后回忆，请网友忽略。看过众多关于字节对齐的博文中，写的我认为比较好的是实验室苏同学(ACM大神)写的http://c4fun.cn/blog/2014/01/11/struct-alignment/，本文有部分内容摘自这篇博客。另外Wiki上面的字节对齐讲的非常好，虽然是英文的。字节对齐的目的很简单，就是提高CPU读取的效率。例如，32位机，CPU一次可以读32位，那么一个4字节的数据的起始地址刚好在4的倍数上，那么CPU一次就可以读完，否则，CPU要读取两次。

内存对齐方法：

1、确定字节对齐值

1）基本数据自身对齐值:基本数据类型的自身对齐值，一般由编译器及系统决定;

2）结构体自身对齐值:取决于结构体成员中自身对齐值的最大值;

3）指定对齐值:通过#pragma pack(n)宏指定的对齐值;

4）有效对齐值:取决于自身对齐值和指定对齐值中的较小值。

Wiki上32位系统的字节对齐值。

A char (one byte) will be 1-byte aligned.
A short (two bytes) will be 2-byte aligned.
An int (four bytes) will be 4-byte aligned.
A long (four bytes) will be 4-byte aligned.
A float (four bytes) will be 4-byte aligned.
A double (eight bytes) will be 8-byte aligned on Windows and 4-byte aligned on Linux (8-byte with -malign-double compile time option).
A long long (eight bytes) will be 8-byte aligned.
A long double (ten bytes with C++Builder and DMC, eight bytes with Visual C++, twelve bytes with GCC) will be 8-byte aligned with C++Builder, 2-byte aligned with DMC, 8-byte aligned with Visual C++ and 4-byte
aligned with GCC.
Any pointer (four bytes) will be 4-byte aligned. (e.g.: char*, int*)

The only notable difference in alignment for a 64-bit system when compared to a 32-bit system is:

A long (eight bytes) will be 8-byte aligned.
A double (eight bytes) will be 8-byte aligned.
A long double (eight bytes with Visual C++, sixteen bytes with GCC) will be 8-byte aligned with Visual C++ and 16-byte aligned with GCC.
Any pointer (eight bytes) will be 8-byte aligned.

值得注意的是：

如果用#pragma pack(n)指定对齐值的话，真正的字节对齐值会取min(n,类型本身的对齐值)。

2.根据对齐值进行对齐

对齐方法遵循下面两条规则，源自C4FUN博文。(有的博文上是4条规则，化简了就是这两条）

1)假设结构体的起始位置为0，结束位置为n，n+1必须是结构体有效对齐值的倍数。(如int类型，假设起始位置为0，结束位置为3，则n+1=4一定为有效对齐值的倍数）

2)假设某成员的起始对齐值是m，m必须是该成员有效对齐值的倍数。

实验结果

我在Mac Os 10.9（64bit）系统下进行测试，clang+Xcode5编译。代码如下：

#include <iostream>

typedef struct _C{
int _int_32;
char _char_8;
int* _ptr_64;
short _short_16;
}C;

typedef struct __C{
int _int_32;
char _char_8;
short _short_16;
int* _ptr_64;
}C_;

int main(int argc, const char * argv[])
{
std::cout <<"sizeof int ="<<sizeof(int)<<std::endl;
std::cout <<"sizeof char ="<<sizeof(char)<<std::endl;
std::cout <<"sizeof int*(pointer) ="<<sizeof(int*)<<std::endl;
std::cout <<"sizeof short ="<<sizeof(short)<<std::endl;
std::cout <<"sizeof _C ="<<sizeof(C)<<std::endl;
std::cout <<"sizeof __C ="<<sizeof(C_)<<std::endl;
return 0;
}

命令行输出：

sizeof int =4
sizeof char =1
sizeof int*(pointer) =8
sizeof short =2
sizeof _C =24
sizeof __C =16

从输出结果可以看出，第一个结构体的size为24字节，第二个位16字节。

分析结构体_C的内存布局：



而结构体__C的内存布局：



结构体_C中为了为了满足规则1，在地址5-7位置处填补了3个padding字节。为了满足规则2，在地址18-24处，填补了6个字节的padding。而结构体__C中，将short的编排顺序改变之后，刚好满足了规则2。所以节省了8个字节。可见，有效的利用变量编排顺序，可以达到优化程序性能、缩小程序内存占用的目的，以后写结构体的时候不能随意编排顺序，应按照字节对齐的规则，以最节省空间的方式编排。