C语言的struct的数据成员对齐

 

　　sizeof是c语言中的一个运算符，用来求某个变量或者类型的长度，CSDN有篇文章介绍sizeof的特点介绍的比较详细，我写这篇文章主要是介绍struct的数据成员对齐。C语言的struct成员对齐与操作系统有关，在window与linux上的表现不同，先来看一个例子:

 

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 1 #include <stdio.h>

 2 typedef struct{

 3     int num1;

 4     int num2;

 5     double num3;

 6 

 7 }A;

 8 typedef struct{

 9  int num1;

10  double num3;

11  int num2;

12 }B;

13 

14 int main(void) {

15     printf("A:%d/n",sizeof(A)); 

16     printf("B:%d/n",sizeof(B)); 

17     return 0;

18 }

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二、windows的对齐情况

 

上面这段程序在windows下执行打印的是：

 

A:16

B:24

 为什么数据成员一样，只是成员的顺序不同，导致结构体所占的空间会不同，这就是数据对齐的原因，为了提高存储器的访问效率，避免读一个成员数据访问多次存储器，操作系统对基本数据类型的合法地址做了限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值K的整数倍（K=2或4或8）。Windows给出的对齐要求是:任何K（K=2或4或8）字节的基本对象的地址都必须是K的整数倍。在上面的示例中，num1和num2为int占4个字节，num3为double占8了字节，结构体A、B的数据对齐情况分别如下：

 

 

　　上面的是结构体A的对齐情况，下面的是结构体B的对齐情况，图中的灰色部分为对齐填充部分，不代表有效数据。可以看到A的分布很紧凑，没有留下空隙，而B中，有两段空隙，因为数据A不需要填充就能满足K（这里K=4、8）字节的对象的起始地址是K的整数倍了。而B中，第一个数据成员是num1，大小为四个字节，接下来的是num3，大小为8个字节，num3不能紧接在num1的后面，因为4不是8的整数倍，因此需要填充4个字节，这样num3的起始地址就在8上，满足要求，之后的num2接在num3后，起始地址为16。有人会问，为什么B占用的是24个字节，而不是20个字节，从上面的图中，也看出，用20个字节刚好装下了num1、num2、num3这三个元素，并且这三个元素都满足了对齐要求，为什么num2后面还要填充4个字节？事实上，如果只有一个B对象，20字节确实是满足对齐要求的，但如果我们声明一个类型为B的数据：B b[3]，每个B对象只用20字节，则其数据偏移情况如下：

 

 

可以看到，b[1]的num3的起始地址是28，不满足8的整数倍的要求，这就是B为什么要24字节的原因，为了所有的数据满足”任何K（K=2或4或8）字节的基本对象的地址都必须是K的整数倍“的要求，必须是结构体的整体大小必须是最大的K的整数倍。

 

三、linux的对齐情况　　

 

　　以上是windows的对齐要求，如果在linux上执行前面的示例，输出A、B所占的字节数都是16。Linux的对齐要求是：2字节类型的数据（如short）的起始地址必须是2的整数倍，而较大（int *,int double ,long）的数据类型的地址必须是4的整数倍。linux的对齐要求比windows宽松，这样会更加充分的利用存储空间，但是访问效率没有window好。linux下结构体B的对齐情况如下：

 

 

　　这里是针对32位的系统，对于X86-64，linux与windows一样，要求K字节的数据类型是K的倍数。

 

　　以上是对struct的数据对齐的简单介绍，我想，这个数据对齐可以出两个面试题，一个是已知道结构体定义，求成员的起始地址和结构体大小；另一个是，已知结构体定义，如何排列成员变量的顺序，使得整个结构体占有的存储空间最小。

 

四、计算结构体的大小和各个成员的起始地址

 

　　这个题目是比较简单的，只要把对齐要求理解了，我们只前往后处理每一个变量，只要当前放入的变量满足对齐要求，然后递归求后门的变量，直接上代码了：

 

复制代码

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

#define MAX 100

char *vars[MAX];//保存变量名

int lens[MAX];//保存变量的字节长度

int start[MAX];//保存变量的起始地址

int ALIGN;

 

/*********扫描成员变量和长度，每一组输入由变量名和长度组成**********/

int  scanfStruct(){

    char var[20],*p;

    int len;

    int index = 0;

    printf(">>");

    while(scanf("%s %d",var,&len) && var[0] != '$'){

        p = (char *)malloc(strlen(var));

        strcpy(p,var);

        vars[index] = p;

        lens[index] = len;

        printf(">>");

      //  printf("%s:%d/n>>",vars[index],lens[index]);

        index ++;

    }

    return index;

}

/*********计算linux的对齐长度*********/

int getLinuxAlign(int *lens, int n){

    int i=0;

    int align = 1;

    for(i = 0;i< n;i++){

        if(align < 2 && *(lens +i) == 2)

            align = 2;

        if(align <4 && *(lens +i) >= 4)

            align = 4;

    }

    return align;

}

/*********计算windows的对齐长度*********/

int getWindowsAlign(int *lens, int n){

    int i=0;

    int align = 1;

    for(i = 0;i< n;i++){

        if(align < 2 && *(lens +i) == 2)

            align = 2;

        if(align <4 && *(lens +i) == 4)

            align = 4;

        if(align <8 && *(lens +i) == 8)

            align = 8;

    }

    return align;

}

/******

递归计算各个变量的数据偏移以及结构体大小

i表示正在处理第i个变量，curAddr表示当前地址

size表示结构体的大小，n表示变量个个数

******/

void getStart(int i,int *curAddr, int *size, int n){

    if(i >= n)

        return;

    start[i] = *curAddr;//第i个变量的首地址为当前地址

    *curAddr += lens[i];

    *size += lens[i];

    if( *curAddr % ALIGN ==0)//当前地址能被对齐长度整除，直接递归处理下一个变量

        getStart(i+1,curAddr,size,n);

    else{//当前地址不能被对齐长度整除

        int blank = ALIGN - (*curAddr % ALIGN);//需要填充的大小

        if(i == n-1){//已经是最后一个变量，只需将结构体大小扩充一下

            *size += blank;

            return;

        }else if(lens[i+1] > blank){//下一个变量的大小大于填充大小，填充后，递归处理下一个变量

            *curAddr += blank;

            *size += blank;

            getStart(i+1,curAddr,size,n);

        }else{

            i++;

            while(lens[i] <= blank){//只要下一个变量的大小小于填空空白大小

                start[i] = *curAddr;

                *curAddr += lens[i];

                *size += lens[i];

                blank = ALIGN -(*curAddr % ALIGN);

                if(i == n-1){

                    *size += blank;

                    return ;

                }

                i++;

            }

            getStart(i,curAddr,size,n);

        }

 

    }

}

void printStart(int n){

    int i=0;

    for(i=0; i<n; i++)

        printf("%s(%d):%d/n",vars[i],lens[i],start[i]);

}

int main(){

    int n;

    int curAddr = 0;

    int size = 0;

    n = scanfStruct();

    //ALIGN = getLinuxAlign(lens,n);

    ALIGN = getWindowsAlign(lens,n);

    getStart(0,&curAddr,&size,n);

    printf("align:%d/n",ALIGN);

    printf("/nsize:%d/n",size);

    printStart(n);

    return 0;

}

复制代码

 

 

五、排列成员顺序，使得结构体占有存储空间最小

 

　这个题目更有意思，我这里暂时不贴，有想法的欢迎回复。