【C++ Primer】 神秘的 sizeof(union) 、sizeof(struct) 和内存对齐技术

一，union：C/C++关键字 共用体（联合）

共用体的声明和共用体变量定义与结构十分相似。形式为：

union 共用体名
{ 　　
	数据类型 成员名; 　　
	数据类型 成员名; 　　
	... 　　
} 变量名; 

共用体表示几个变量共用一个内存位置，在不同的时间保存不同的数据类型和不同长度的变量.在union中，所有的共用体成员共用一个空间，并且同一时间只能储存其中一个成员变量的值。当一个共用体被声明时, 编译程序自动地产生一个变量, 其长度为联合中最大的变量长度的整数倍（特别注意数组）

例子一：

union foo{

　　int i;

　　char c;

　　double k;

　　};

sizeof(foo); //double最长占用8字节，所以union foo大小为8字节

例子二：　

union A  
{
    int a[5];       //20
    short b;     //2
    double c;    //8
    char p2;     //1
};

struct B { 
	int n; // 4字节 
	A a; // 24字节 
	char c[10]; // 10字节 
};

sizeof(A) ; //24 而不是20 ???

sizeof(B) ; //48 而不是？？？

对齐： 分配内存时，每个成员放在长度倍数位置，如果不够，补位对齐

补齐： 对整个结构变量的空间要求总长度一定是最长的成员的倍数，不够补齐不管是对齐还是补齐，最长的成员长度超过4时，以4计。

A实际占用内存大小为 20字节，但是要跟 8个字节的变量double的整数倍，对齐所以为 24；

由于A实际占用24字节，则可以想象B实际占用38字节，但A是8字节对齐的，所以int n和char c[10]也需要8字节对齐，总共8+24+16=48 字节。

例子三：

<span style="font-size: 18px;">union f 　　
{ 　　
	char s[10]; 　　
	int i; 　　
};</span>

sizeof(f); // 12
解释：在这个union中，foo的内存空间的长度为12，是int型的3倍，而并不是数组的长度10。
若把int改为double，则foo的内存空间为16，是double型的两倍。

二，struct

具体说明见内存对齐例子

三，内存对齐

1）概念：“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

2）原因：

1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。 　　

2、性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因是：为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

3）对齐规则

　　每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。 　　

规则： 　　

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，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。 　　

2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。 　　

3、结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

pragma pack(1) 时候

1>数据成员对齐：

#pragma pack(1)
struct test_t 
{
	int a;      /* int型，  长度4 > 1 按1对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */
	char b;     /* char型， 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
	short c;    /* short型，长度2 > 1 按1对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */
	char d[6];  /* char型， 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7,C] */
};/*char d[6]要看成6个char型变量*/

sizeof(test_t) ; //输出为13

2>整体对齐

　　 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1

　　 整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 13 /*13%1=0*/

pragma pack(2) 时候

1>成员数据对齐

　　

  #pragma pack(2) 

　　struct test_t { 

　　    int a; /* int型，长度4 > 2 按2对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */ 

　　    char b; /* char型，长度1 < 2 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ 

   　　short c; /* short型，长度2 = 2 按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */ 

　　    char d[6]; /* char型，长度1 < 2 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8,D] */ 

　　}; 
　

　　成员总大小=14

　　2> 整体对齐

　　整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2

　　整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 14 /* 14%2=0 */

四，终极例子

入门例子一：

union A
{
	int t;   //4
	short m; //2
	char p;  //1
};
	
struct B  
{
    A a;          //4
    double c;    //8
    char p2;     //1
};

sizeof(B); // 24

B中采用double长度 8字节对齐方式，所以A在结构体B内 变成8字节。实际B占用8+8+1=17。再填充成8的整数倍后位 24字节

变态例子二：

struct B  
{
    union A
	{
		int t;   //4
		short m; //2
		char p;  //1
	} ;
    double c;    //8
	char p2;     //1
};

sizeof(B); //16

如果你的第一反应是24那么你就躺着中枪了。想想为什么吧！！