C++中結構體對齊規則的示例分析

這篇文章主要介紹了C++中結構體對齊規則的示例分析，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著(zhù)大家一起了解一下。

基本概念

CPU一次能讀取多少個(gè)字節的數據主要是看數據總線(xiàn)是多少位的，16位CPU一次能讀取2個(gè)字節，32位CPU一次能讀取4個(gè)字節，64位CPU一次能讀取8個(gè)字節。并且不能跨內存區間訪(fǎng)問(wèn)，這句話(huà)的意思可以理解為，如果CPU是32位的話(huà)，那么可以將整個(gè)內存區間每4個(gè)字節分為一塊(BLOCK)，每次讀取一個(gè)BLOCK的數據。

那么對于下面這個(gè)結構體：

struct st {
    char c;
    int i;
};

如果不進(jìn)行對齊操作，char 的地址范圍0x00000000，int的地址范圍為0x00000001----0x00000004,int分布在兩個(gè)不同的BLOCK上，因此要讀取int需要兩次操作；如果進(jìn)行4字節對齊，那么int的地址范圍為0x00000004----0x00000007，處在一個(gè)BLOCK上，因此只需一次讀取操作即可。缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，多占用了3個(gè)字節。這也是典型的一種空間換時(shí)間的方法吧。

結構體對齊的規則

結構體對齊需要滿(mǎn)足以下三條規則，其中系統對齊模數在64位機器上默認為8字節，32位機器上默認為4字節。通過(guò)預處理指令#pargma pack(N)可以修改系統模數為N個(gè)字節。

1、以結構體第一個(gè)元素的地址為起始地址，亦即結構體的起始地址。由上可知，第一個(gè)元素的偏移量為0；

2、結構體元素對齊原則：結構體成員的對齊模數為類(lèi)型大小與系統對齊模數的較小者；結構體成員的偏移量（填充）為對齊模數的整數倍。

3、結構體大小對齊原則：結構體的對齊模數為結構體最大元素與系統對齊模數的較小者；結構體的大?。ㄌ畛洌榻Y構體對齊模數的整數倍。

程序驗證

測試環(huán)境為64位Windows ，VS2019，定義結構體st1，包含3個(gè)元素char，int，double，定義系統對齊模數為4個(gè)字節。

#include <iostream>

#pragma pack(4)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    int i;
    double db;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結構體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    return 0;
}

首先我們按照對齊規則來(lái)進(jìn)行分析。第一個(gè)元素為char，類(lèi)型大小為1個(gè)字節，對齊模數min(1,4)=1，偏移量為0是對齊模數的整數倍，無(wú)需填充（從這里我們可以看到，第一個(gè)字節偏移量始終為0，是不需要填充的）,下一個(gè)元素的偏移從1開(kāi)始；第二個(gè)元素為int，類(lèi)型大小4個(gè)字節，對齊模數為4個(gè)字節，不填充時(shí)偏移量為1，不是4的整數倍，因此這里需要填充3個(gè)字節，使得int的偏移量為4，且下一個(gè)元素偏移從8開(kāi)始；第三個(gè)元素是double，類(lèi)型大小為8個(gè)字節，對齊模數為4，偏移量從8開(kāi)始，是4的整數倍，因此無(wú)需填充，占用8個(gè)字節，因此結構體的大小為16個(gè)字節。運行程序輸出：

將系統對齊模數修改為1 【#pargma pack(1)】，這樣的話(huà)，任何情況下都無(wú)需填充（不足一個(gè)字節的類(lèi)型視為一個(gè)字節），結構體的大小即為結構體元素大小之和。運行程序輸出：

將系統對齊模數修改為8 【#pargma pack(8)】，這樣的話(huà)，任何情況下都無(wú)需填充（不足一個(gè)字節的類(lèi)型視為一個(gè)字節），結構體的大小即為結構體元素大小之和。運行程序輸出：

Emmm，好像和系統對齊模數為4時(shí)沒(méi)什么變化。那我們將int 和 double的順序換一下呢？

#include <iostream>

#pragma pack(8)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    double db;
    int i;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結構體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    return 0;
}

順序調了下，結構體就比原來(lái)大了8個(gè)字節!!!從中我們可以看出，將結構體元素從小到大排列，可以最大程度節省空間。