关于内存对界

本文节选自宋宝华的C/C++的struct深层探索一文，本人对其所描述的struct对齐比较喜欢，为此转来与大家分享，原文见http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2005/09/08/544877.aspx

 

Intel 、微软等公司曾经出过一道类似的面试题：

1. #include <iostream.h>

2. #pragma pack(8)

3. struct example1

4. {

5.     short a;

6.     long b;

7. };

8. struct example2

9. {

10.          char
c;

11.          example1
struct1;

12.          short
e;

13. };

14. #pragma pack()

 

15. int main(int argc, char* argv[])

16. {

17.   example2 struct2;

18.   cout << sizeof(example1) << endl;

19.   cout << sizeof(example2) << endl;

20.   cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2)

  << endl;

21.   return 0;

22. }

问程序的输入结果是什么？

答案是：

8

16

4

不明白？还是不明白？下面一一道来：

1 、 自然对界

struct 是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如 int 、 long 、 float 等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如 array 、 struct 、 union 等）的数据单元。对于结构体，编译器会自动进行成员变量的对齐，以提高运算效率。缺省情况下，编译器为结构体的每个成员按其自然对界（ natural
alignment ）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

自然对界 (natural alignment) 即默认对齐方式，是指按结构体的成员中 size 最大的成员对齐。

例如：

struct naturalalign

{

char a;

short b;

char c;

};

在上述结构体中， size 最大的是 short ，其长度为 2 字节，因而结构体中的 char 成员 a 、 c 都以 2 为单位对齐， sizeof(naturalalign) 的结果等于 6 ；

如果改为：

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

其结果显然为 12 。

 

2 、 指定对界

一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

· 使用伪指令 #pragma
pack (n) ，编译器将按照 n 个字节对齐；

· 使用伪指令 #pragma
pack () ，取消自定义字节对齐方式。

注意：如果 #pragma pack (n) 中指定的 n 大于结构体中最大成员的 size ，则其不起作用，结构体仍然按照 size 最大的成员进行对界。

例如：

#pragma pack (n)

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

#pragma pack ()

当 n 为 4 、 8 、 16 时，其对齐方式均一样， sizeof(naturalalign) 的结果都等于 12 。而当 n 为 2时，其发挥了作用，使得 sizeof(naturalalign) 的结果为 8 。  

3 、   面试题的解答

至此，我们可以对 Intel 、微软的面试题进行全面的解答。

程序中第 2 行 #pragma
pack (8) 虽然指定了对界为 8 ，但是由于 struct
example1 中的成员最大size 为 4 （ long 变量 size 为 4 ），故 struct
example1 仍然按 4 字节对界， struct
example1 的 size 为 8，即第 18 行的输出结果；

struct example2 中包含了 struct
example1 ，其本身包含的简单数据成员的最大 size 为 2 （ short变量 e ），但是因为其包含了 struct
example1 ，而 struct example1 中的最大成员 size 为 4 ， struct
example2 也应以 4 对界， #pragma
pack (8) 中指定的对界对 struct example2 也不起作用，故 19 行的输出结果为 16 ；

由于 struct example2 中的成员以 4 为单位对界，故其 char 变量 c 后应补充 3 个空，其后才是成员 struct1 的内存空间， 20 行的输出结果为 4 。

 

  
    当未用 #pragma 指令指定编译器的对齐位数时，结构体按最长宽度的数据成员的宽度对齐；当使用了#pragma 指令指定编译器的对齐位数时，结构体按最长宽度的数据成员的宽度和
#pragma 指令指定的位数中的较小值对齐。

联合体的内存问题

45union u

{ 　double a; 　int b; };    union u2 { 　char a[13]; 　int b; };    union u3 { 　char a[13]; 　char b; };    cout<<sizeof(u)<<endl; // 8 cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16 cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13

 

　 　都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以 sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而 u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。 struct s1

{ 　char a; 　double b; 　int c; 　char d;  };    struct s2 { 　char a; 　char b; 　int c; 　double d; };    cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24 cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16

 

　 　同样是两个char类型，一个int类型，一个double类型，但是因为对界问题，导致他们的大小不同。计算结构体大小可以采用元素摆放法，我举例子 说明一下：首先，CPU判断结构体的对界，根据上一节的结论，s1和s2的对界都取最大的元素类型，也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元 素。

 

　　对于s1，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲的地址是1，但是下一个元素d是double类型，要放到8的对界 上，离1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此时下一个空闲地址变成了16，下一个元素c的对界是4，16可以满足，所以c放在了16，此时下一个空 闲地址变成了20，下一个元素d需要对界1，也正好落在对界上，所以d放在了20，结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数，所以21- 23的空间被保留，s1的大小变成了24。

 

　　对于s2，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲地址是1，下一个元素的对界也 是1，所以b摆放在1，下一个空闲地址变成了2；下一个元素c的对界是4，所以取离2最近的地址4摆放c，下一个空闲地址变成了8，下一个元素d的对界是 8，所以d摆放在8，所有元素摆放完毕，结构体在15处结束，占用总空间为16，正好是8的倍数。