c語言結構體位元組對齊與位域,c語言位元組對齊問題詳解

本文目錄一覽：

• 1、c語言 結構體位域問題
• 2、C語言結構體長度位元組對齊問題
• 3、關於C語言中的結構體位元組對齊
• 4、c語言結構體對齊的問題。
• 5、C語言中位域和結構體得區別是什麼？
• 6、什麼是C語言結構體位元組對齊，為什麼要對齊

c語言 結構體位域問題

c存在第三個位元組

sizeof結構體，這個要看結構體內變數是如何定義的，結構體存放數據有個對齊原則，找到佔用最大位元組的變數，然後都向它對齊，比如bool和char類型佔用一個位元組，short佔兩個位元組，int，float為4個位元組，double為八個位元組。

定義的順序不同，sizeof的結果不同。我給你舉個例子。

struct A{

    int a;

    char b;

    char c;

};

sizeof(A)應該為4+1+1，但是需要對齊，所以這個值就是 8  

圖1

這個是struct A的變數存儲

struct B{

    char a;

    int b;

    char c;

};

sizeof(B) 這個值就是12

圖2

這個是struct B的變數存儲

C語言結構體長度位元組對齊問題

因為當結構體中有多個數據類型時，結構體的長度對齊是按數據類型長度最長的那個來對齊的，double類型佔8個位元組，所以每個成員變數都按8個位元組的長度來算，就是5*8=40，驗證程序如下：

#include stdio.h

struct chji

{

char name[9];

int number;

char sex;

double score;

float aa;

};

struct chji stu;

int main()

{

printf(“sizeof(struct chji)=%d\n”,sizeof(struct chji));

return 0;

}

運行結果：sizeof(struct chji)=40

如果要按單個位元組的長度來對齊的話，代碼如下：

#include stdio.h

#pragma pack(1)

struct chji

{

char name[9];  //9

int number;    //4

char sex;      //1

double score;  //8

float aa;      //4

};

struct chji stu;

#pragma pack()

int main()

{

printf(“sizeof(struct chji)=%d\n”,sizeof(struct chji));

return 0;

}

運行結果：sizeof(struct chji)=26

即9+4+1+8+4=26，你可以查下#pragma pack()相關的資料的，就會清楚了。

關於C語言中的結構體位元組對齊

仔細看一下書中的說明吧，這三言兩語介紹起來有點累

或從網上查閱相關的技術資料，有詳細描述。

一般簡單來說，結構體從第一個變數開始檢查空間的「對齊位元組數」，

默認以第一個位元組大小作為對齊位元組數，如果遇上的下一個位元組與當前對齊位元組數不同時，就按兩者中較大的來進行結構體空間分配，接下來的對齊就全按此值來對齊，直到再遇上不同的才進行檢查或改變。

c語言結構體對齊的問題。

這是個好問題！

為什麼會有對齊的問題呢？簡單的說就是為了提高訪問內存的效率，這和CPU內部的機制有關，如果你想深入理解，需要閱讀 Intel 開發者手冊。對齊採用的總體原則是這樣的：4位元組變數的存放要對齊到可以被4整除的地址上，8位元組變數的存放要對齊到可以被8整除的地址上。其他變數類推就行了。如果沒對齊編譯器就會將某個變數的存儲往後推遲幾個位元組，以保證對齊後再存放。

具體到這個問題就是可以先假設結構體變數從地址0處開始存放，那麼第一種情況就是這樣的了：

cat 存放的位置是地址0-地址3

a數組存放的位置是地址4-地址23

dog存放的位置是地址24到地址31

這裡可以看到它們都符合對齊的原則（即每個變數開始存放的地址可以除盡它們所佔的位元組數），所以是32

第二種情況是這樣的：

cat仍然存放到地址0-地址3處

a數組是地址4到地址27處

存放dog時編譯器計算除下一個地址28並不能除盡double的位元組數8，於是它要將地址進行遞增。29，30,31仍然不能除盡8,知道遞增到32時可以將8除盡了，所以dog變數會被存放在地址32到地址39處，從地址0到地址39正好40個位元組，這就解釋了第二種情況了。

ps. 其實你這個問題還有一種變種就是一個結構體里在套一個結構體，這時會牽扯到內部的結構體對齊的問題。等你以後遇見了再給我提問吧，我給你解釋。

C語言中位域和結構體得區別是什麼？

C語言結構體對齊也是老生常談的話題了。基本上是面試題的必考題。內容雖然很基礎，但一不小心就會弄錯。寫出一個struct，然後sizeof，你會不會經常對結果感到奇怪？sizeof的結果往往都比你聲明的變數總長度要大，這是怎麼回事呢？

開始學的時候，也被此類問題困擾很久。其實相關的文章很多，感覺說清楚的不多。結構體到底怎樣對齊？

有人給對齊原則做過總結，具體在哪裡看到現在已記不起來，這裡引用一下前人的經驗（在沒有#pragma pack宏的情況下）：

原則1、數據成員對齊規則：結構（struct或聯合union）的數據成員，第一個數據成員放在offset為0的地方，以後每個數據成員存儲的起始位置要從該成員大小的整數倍開始（比如int在32位機為4位元組，則要從4的整數倍地址開始存儲）。

原則2、結構體作為成員：如果一個結構里有某些結構體成員，則結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍地址開始存儲。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b應該從8的整數倍開始存儲。）

原則3、收尾工作：結構體的總大小，也就是sizeof的結果，必須是其內部最大成員的整數倍，不足的要補齊。

這三個原則具體怎樣理解呢？我們看下面幾個例子，通過實例來加深理解。

例1：struct {

short a1;

short a2;

short a3;

}A;

struct{

long a1;

short a2;

}B;

sizeof(A) = 6; 這個很好理解，三個short都為2。

sizeof(B) = 8; 這個比是不是比預想的大2個位元組？long為4，short為2，整個為8，因為原則3。

例2：struct A{

int a;

char b;

short c;

};

struct B{

char b;

int a;

short c;

};

sizeof(A) = 8; int為4，char為1，short為2，這裡用到了原則1和原則3。

sizeof(B) = 12; 是否超出預想範圍？char為1，int為4，short為2，怎麼會是12？還是原則1和原則3。

深究一下，為什麼是這樣，我們可以看看內存里的布局情況。

a b c

A的內存布局：1111, 1*, 11

b a c

B的內存布局：1***, 1111, 11**

其中星號*表示填充的位元組。A中，b後面為何要補充一個位元組？因為c為short，其起始位置要為2的倍數，就是原則1。c的後面沒有補充，因為b和c正好佔用4個位元組，整個A佔用空間為4的倍數，也就是最大成員int類型的倍數，所以不用補充。

B中，b是char為1，b後面補充了3個位元組，因為a是int為4，根據原則1，起始位置要為4的倍數，所以b後面要補充3個位元組。c後面補充兩個位元組，根據原則3，整個B佔用空間要為4的倍數，c後面不補充，整個B的空間為10，不符，所以要補充2個位元組。

再看一個結構中含有結構成員的例子：

例3：struct A{

int a;

double b;

float c;

};

struct B{

char e[2];

int f;

double g;

short h;

struct A i;

};

sizeof(A) = 24; 這個比較好理解，int為4，double為8，float為4，總長為8的倍數，補齊，所以整個A為24。

sizeof(B) = 48; 看看B的內存布局。

e f g h i

B的內存布局：11* *, 1111, 11111111, 11 * * * * * *, 1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *

i其實就是A的內存布局。i的起始位置要為24的倍數，所以h後面要補齊。把B的內存布局弄清楚，有關結構體的對齊方式基本就算掌握了。

以上講的都是沒有#pragma pack宏的情況，如果有#pragma pack宏，對齊方式按照宏的定義來。比如上面的結構體前加#pragma pack(1)，內存的布局就會完全改變。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;

有了#pragma pack(1)，內存不會再遵循原則1和原則3了，按1位元組對齊。沒錯，這不是理想中的沒有內存對齊的世界嗎。

a b c

A的內存布局：1111, 11111111, 1111

e f g h i

B的內存布局：11, 1111, 11111111, 11 , 1111, 11111111, 1111

那#pragma pack(2)的結果又是多少呢？#pragma pack(4)呢？留給大家自己思考吧，相信沒有問題。

還有一種常見的情況，結構體中含位域欄位。位域成員不能單獨被取sizeof值。C99規定int、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴展，允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大致規則為：

1) 如果相鄰位域欄位的類型相同，且其位寬之和小於類型的sizeof大小，則後面的欄位將緊鄰前一個欄位存儲，直到不能容納為止；

2) 如果相鄰位域欄位的類型相同，但其位寬之和大於類型的sizeof大小，則後面的欄位將從新的存儲單元開始，其偏移量為其類型大小的整數倍；

3) 如果相鄰的位域欄位的類型不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式，Dev-C++採取壓縮方式；

4) 如果位域欄位之間穿插著非位域欄位，則不進行壓縮；

5) 整個結構體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數倍。

還是讓我們來看看例子。

例4：struct A{

char f1 : 3;

char f2 : 4;

char f3 : 5;

};

a b c

A的內存布局：111, 1111 *, 11111 * * *

位域類型為char，第1個位元組僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個位元組中，而f3隻能從下一個位元組開始。因此sizeof(A)的結果為2。

例5：struct B{

char f1 : 3;

short f2 : 4;

char f3 : 5;

};

由於相鄰位域類型不同，在VC6中其sizeof為6，在Dev-C++中為2。

例6：struct C{

char f1 : 3;

char f2;

char f3 : 5;

};

非位域欄位穿插在其中，不會產生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

考慮一個問題，為什麼要設計內存對齊的處理方式呢？如果體系結構是不對齊的，成員將會一個挨一個存儲，顯然對齊更浪費了空間。那麼為什麼要使用對齊呢？體系結構的對齊和不對齊，是在時間和空間上的一個權衡。對齊節省了時間。假設一個體系結構的字長為w，那麼它同時就假設了在這種體系結構上對寬度為w的數據的處理最頻繁也是最重要的。它的設計也是從優先提高對w位數據操作的效率來考慮的。有興趣的可以google一下，人家就可以跟你解釋的，一大堆的道理。

最後順便提一點，在設計結構體的時候，一般會尊照一個習慣，就是把佔用空間小的類型排在前面，佔用空間大的類型排在後面，這樣可以相對節約一些對齊空間。

本篇文章來源於：開發學院 原文鏈接：

什麼是C語言結構體位元組對齊，為什麼要對齊

對齊跟數據在內存中的位置有關。如果一個變數的內存地址正好位於它長度的整數倍，他就被稱做自然對齊。比如在32位cpu下，假設一個整型變數的地址為0x00000004，那它就是自然對齊的。

需要位元組對齊的根本原因在於CPU訪問數據的效率問題。假設上面整型變數的地址不是自然對齊，比如為0x00000002，則CPU如果取它的值的話需要訪問兩次內存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個short然後組合得到所要的數據，如果變數在0x00000003地址上的話則要訪問三次內存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然後組合得到整型數據。而如果變數在自然對齊位置上，則只要一次就可以取出數據。一些系統對對齊要求非常嚴格，比如sparc系統，如果取未對齊的數據會發生錯誤，舉個例：

char ch[8];

char *p = ch[1];

int i = *(int *)p;

運行時會報segment error，而在x86上就不會出現錯誤，只是效率下降。