结构体对齐的规则详解及C++代码验证

基本概念

CPU一次能读取多少个字节的数据主要是看数据总线是多少位的，16位CPU一次能读取2个字节，32位CPU一次能读取4个字节，64位CPU一次能读取8个字节。并且不能跨内存区间访问，这句话的意思可以理解为，如果CPU是32位的话，那么可以将整个内存区间每4个字节分为一块(BLOCK)，每次读取一个BLOCK的数据。

那么对于下面这个结构体：

struct st {
  char c;
  int i;
};

如果不进行对齐操作，char 的地址范围0x00000000，int的地址范围为0x00000001----0x00000004,int分布在两个不同的BLOCK上，因此要读取int需要两次操作；如果进行4字节对齐，那么int的地址范围为0x00000004----0x00000007，处在一个BLOCK上，因此只需一次读取操作即可。缺点也显而易见，多占用了3个字节。这也是典型的一种空间换时间的方法吧。

结构体对齐的规则

结构体对齐需要满足以下三条规则，其中系统对齐模数在64位机器上默认为8字节，32位机器上默认为4字节。通过预处理指令#pargma pack(N)可以修改系统模数为N个字节。

1、以结构体第一个元素的地址为起始地址，亦即结构体的起始地址。由上可知，第一个元素的偏移量为0；

2、结构体元素对齐原则：结构体成员的对齐模数为类型大小与系统对齐模数的较小者；结构体成员的偏移量（填充）为对齐模数的整数倍。

3、结构体大小对齐原则：结构体的对齐模数为结构体最大元素与系统对齐模数的较小者；结构体的大小（填充）为结构体对齐模数的整数倍。

程序验证

测试环境为64位Windows ，VS2019，定义结构体st1，包含3个元素char，int，double，定义系统对齐模数为4个字节。

#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结构体大小" << 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;
}

首先我们按照对齐规则来进行分析。第一个元素为char，类型大小为1个字节，对齐模数min(1,4)=1，偏移量为0是对齐模数的整数倍，无需填充（从这里我们可以看到，第一个字节偏移量始终为0，是不需要填充的）,下一个元素的偏移从1开始；第二个元素为int，类型大小4个字节，对齐模数为4个字节，不填充时偏移量为1，不是4的整数倍，因此这里需要填充3个字节，使得int的偏移量为4，且下一个元素偏移从8开始；第三个元素是double，类型大小为8个字节，对齐模数为4，偏移量从8开始，是4的整数倍，因此无需填充，占用8个字节，因此结构体的大小为16个字节。运行程序输出：

结构体对齐的规则详解及C++代码验证

将系统对齐模数修改为1 【#pargma pack(1)】，这样的话，任何情况下都无需填充（不足一个字节的类型视为一个字节），结构体的大小即为结构体元素大小之和。运行程序输出：

结构体对齐的规则详解及C++代码验证

将系统对齐模数修改为8 【#pargma pack(8)】，这样的话，任何情况下都无需填充（不足一个字节的类型视为一个字节），结构体的大小即为结构体元素大小之和。运行程序输出：

结构体对齐的规则详解及C++代码验证

Emmm，好像和系统对齐模数为4时没什么变化。那我们将int 和 double的顺序换一下呢？

#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结构体大小" << 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;
}

结构体对齐的规则详解及C++代码验证