C 第1000章：内存对齐

先从一个简单的结构体开始：

struct st 

{

  int a;

  int b;

  int c;

};

这个结构体大小是多少？

 

在gcc中，整型int占4个字节。所以结构体struct st的大小为4+4+4=12个字节。这个结构体大小的确是12个字节，我们可以通过sizeof(struct st)获知这个结构体的大小。

 

struct st 

{

  char a;

  int b;

  int c;

};

那么这个呢？

 

在gcc中，整型char占1个字节。按照上面那样简单的将各个成员所需占用的内存大小相加，那么应该是1+4+4=9个字节。但实际上还是12个字节。通过sizeof(struct st)得到的这个结构体的大小也是12个字节。

 

为什么？

 

结构体包含多个成员，给结构体变量分配内存其实就是给结构体中每个成员分配内存。在给结构体变量分配内存的时候，通常根据各成员所需占用内存大小分配内存空间，第1个成员从结构体开始偏移0处分配内存，第2个成员紧随第1个成员分配内存，也就是从结构体开始偏移第1个成员大小的位置分配内存，或者说在第1个成员的偏移位置加上第1个成员大小的位置分配内存，后面每个成员都是紧随前一个成员分配内存，或者说在前1个成员的偏移位置加上前1个成员大小的位置分配内存。正常来说，结构体大小为各成员大小之和。

 

所以上面第1个结构体struct st的大小为12字节。

 

但编译器会对这个结构体到底需要分配多大的内存进行一项优化。这个优化就是内存对齐。

 

因为对齐需要，所以在给结构体struct st分配内存的时候，也就是给各个成员分配内存，并不是紧挨a给b分配内存空间，在a和b之间扩充了3个字节，也就是存在3个字节的”空洞“。

 

我们可以看看在给结构体struct st变量分配内存时的内存布局是怎样的。

 

也就是在内存中是怎么给结构体struct st变量分配内存的：

写道

+----+ -
| | a: 1byte
+----+ -
| | ^
+----+ |
| | 3bytes holes
+----+ |
| | v
+----+ -
| | ^
+----+ |
| | |
+----+ b: 4bytes
| | |
+----+ |
| | v
+----+ -
| | ^
+----+ |
| | |
+----+ c: 4bytes
| | |
+----+ |
| | v
+----+ -

也就是成员a在结构体struct st变量起始偏移0处开始分配内存，分配1个字节，在给成员b分配内存的时候，因为对齐需要，需要偏移3个字节，到第4个字节开始给成员b分配内存。

 

为什么是偏移3个字节，到第4个字节开始给成员b分配内存？

 

对齐基数

也叫对齐系数，其实应该叫最大结构体成员对齐（maximum structure member alignment）。

 

这个基数在编译的时候可以通过-fpack-struct指定

 

-fpack-struct               Pack structure members together without holes

-fpack-struct=<number>      Set initial maximum structure member alignment

 

写道

-fpack-struct[=n]
Without a value specified, pack all structure members together without holes. When a value is specified (which must be a small power of two), pack structure members according to this value, representing the maximum alignment (that is, objects with default alignment requirements larger than this are output potentially unaligned at the next fitting location.

Warning: the -fpack-struct switch causes GCC to generate code that is not binary compatible with code generated without that switch. Additionally, it makes the code suboptimal. Use it to conform to a non-default application binary interface.

 

也可以在程序中通过#pragma pack(n)指定。

 

#pragma pack(n) simply sets the new alignment.

 

#pragma pack() sets the alignment to the one that was in effect when compilation started (see also command-line option -fpack-struct[=n] see Code Gen Options).

 

#pragma pack(push[,n]) pushes the current alignment setting on an internal stack and then optionally sets the new alignment.

 

#pragma pack(pop) restores the alignment setting to the one saved at the top of the internal stack (and removes that stack entry). Note that #pragma pack([n]) does not influence this internal stack; thus it is possible to have #pragma pack(push) followed by multiple #pragma pack(n) instances and finalized by a single #pragma pack(pop).

 

通过-fpack-struct[=N]指定内存对齐

 

举个例子：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <stddef.h>

 

struct test_s {

    int i;

    char c;

    double d;

    char a[];

};

 

#

#

#

#

 

int main(int argc, char **argv)

{

    printf("sizeof(struct test_s)=%d\n", sizeof(struct test_s));

 

    printf("offsetof(struct test_s, i)=%d, offsetof(struct test_s, c)=%d, offsetof(struct test_s, d)=%d, offsetof(struct test_s, a)=%d\n",

        offsetof(struct test_s, i),

        offsetof(struct test_s, c),

        offsetof(struct test_s, d),

        offsetof(struct test_s, a));

    return 0;

}

 

 

 

gcc -fpack-struct=4 -c offsetof_test.c  -o offsetof_test.o

gcc offsetof_test.o  -o offsetof_test

 

./offsetof_test 

sizeof(struct test_s)=16

offsetof(struct test_s, i)=0, offsetof(struct test_s, c)=4, offsetof(struct test_s, d)=8, offsetof(struct test_s, a)=16

 

 

 

 

 

gcc -fpack-struct=2 -c offsetof_test.c  -o offsetof_test.o

gcc offsetof_test.o  -o offsetof_test

 

./offsetof_test 

sizeof(struct test_s)=14

offsetof(struct test_s, i)=0, offsetof(struct test_s, c)=4, offsetof(struct test_s, d)=6, offsetof(struct test_s, a)=14

 

 

 

 

 

 

gcc -fpack-struct -c offsetof_test.c  -o offsetof_test.o

gcc offsetof_test.o  -o offsetof_test

 

./offsetof_test 

sizeof(struct test_s)=13

offsetof(struct test_s, i)=0, offsetof(struct test_s, c)=4, offsetof(struct test_s, d)=5, offsetof(struct test_s, a)=13