您的位置:首页 > 编程语言 > C语言/C++

C语言结构体分配内存问题

2014-03-18 15:34 645 查看
有些c语言的题很小,但是我们往往会忽略掉,面试的时候就会出这样的题比如,写出一个struct,然后sizeof,你会不会经常对结果感到奇怪?sizeof的结果往往都比你声明的变量总长度要大,这是怎么回事呢?

    开始学的时候,也被此类问题困扰很久。其实相关的文章很多,感觉说清楚的不多。结构体到底怎样对齐?

    有人给对齐原则做过总结,具体在哪里看到现在已记不起来,这里引用一下前人的经验(在没有#pragmapack宏的情况下):

    原则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,以后每个数据成员存储的起始位置要从自身大小的整数倍开始(比如int在32位机为4字节,则要从4的整数倍地址开始存储)。

    原则2、结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。(structa里存有struct b,b里有char,int,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储。)

    原则3、收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,必须是其内部最大成员的整数倍,不足的要补齐。

    这三个原则具体怎样理解呢?我们看下面几个例子,通过实例来加深理解。

    例1:struct{

                 shorta1;

                 shorta2;

                 shorta3;

                }A;

         struct{

                long a1;

                short a2;

                }B;

         sizeof(A) = 6; 这个很好理解,三个short都为2。

         sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节?long为4,short为2,整个为8,因为原则3。

    例2:structA{

                  inta;

                  charb;

                  shortc;

                  };

         structB{

                  charb;

                  inta;

                  shortc;

                  };

       sizeof(A)= 8; int为4,char为1,short为2,这里用到了原则1和原则3。

      sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围?char为1,int为4,short为2,怎么会是12?还是原则1和原则3。

   深究一下,为什么是这样,我们可以看看内存里的布局情况。

                 a        b        c

   A的内存布局:1111,    1*,      11

                 b         a       c

   B的内存布局:1***,    1111,   11**

   其中星号*表示填充的字节。A中,b后面为何要补充一个字节?因为c为short,其起始位置要为2的倍数,就是原则1。c的后面没有补充,因为b和c正好占用4个字节,整个A占用空间为4的倍数,也就是最大成员int类型的倍数,所以不用补充。

   B中,b是char为1,b后面补充了3个字节,因为a是int为4,根据原则1,起始位置要为4的倍数,所以b后面要补充3个字节。c后面补充两个字节,根据原则3,整个B占用空间要为4的倍数,c后面不补充,整个B的空间为10,不符,所以要补充2个字节。

   再看一个结构中含有结构成员的例子:

      例3:struct A{

                     int a;

                    double b;

                    float c;

                   };

               struct B{

                    char e[2];

                    int f;

                    double g;

                    short h;

                    struct A i;

                   };

      sizeof(A) = 24;这个比较好理解,int为4,double为8,float为4,总长为8的倍数,补齐,所以整个A为24。

      sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                                e        f            g               h                                   i 

    B的内存布局:11**,  1111,   11111111, 11 * * * * **,       1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *

    i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数,所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚,有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

    以上讲的都是没有#pragmapack宏的情况,如果有#pragma pack宏,对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragmapack(1),内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;

    有了#pragmapack(1),内存不会再遵循原则1和原则3了,按1字节对齐。没错,这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

                                 a               b            c

      A的内存布局:1111,    11111111,   1111

                                e       f            g         h                    i

      B的内存布局:11,  1111,   11111111, 11,           1111, 11111111, 1111

      那#pragma pack(2)的结果又是多少呢?#pragma pack(4)呢?留给大家自己思考吧,相信没有问题。

      还有一种常见的情况,结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsignedint和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,允许其它类型类型的存在。

      使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:

      1)如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;

      2)如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;

      3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式,Dev-C++采取压缩方式;

      4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;

      5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

       还是让我们来看看例子。

      例4:struct A{

                     char f1 : 3;

                    char f2 : 4;

                    char f3 : 5;

                    };

                    a        b            c

      A的内存布局:111,   1111 *,   11111 * * *

      位域类型为char,第1个字节仅能容纳下f1和f2,所以f2被压缩到第1个字节中,而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

      例5:struct B{

                   char f1 : 3;

                   short f2 : 4;

                   char f3 : 5;

                   };

      由于相邻位域类型不同,在VC6中其sizeof为6,在Dev-C++中为2。

      例6:struct C{

                    char f1 : 3;

                    char f2;

                   char f3 : 5;

                   };

      非位域字段穿插在其中,不会产生压缩,在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

      考虑一个问题,为什么要设计内存对齐的处理方式呢?如果体系结构是不对齐的,成员将会一个挨一个存储,显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢?体系结构的对齐和不对齐,是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w,那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下,人家就可以跟你解释的,一大堆的道理。

      最后顺便提一点,在设计结构体的时候,一般会尊照一个习惯,就是把占用空间小的类型排在前面,占用空间大的类型排在后面,这样可以相对节约一些对齐空间。
转载自:http://blog.sina.com.cn/s/blog_671d96d00100hhv9.html
内容来自用户分享和网络整理,不保证内容的准确性,如有侵权内容,可联系管理员处理 点击这里给我发消息
标签:  c语言 内存 结构