sizeof(union) 、sizeof(struct) 和内存对齐技术

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-08-27 01:30 190阅读 0赞

公式　整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 设置的机器默认对齐字节) = 2

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：

**\[html\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  union 共用体名  
2.  \{ 　　  
3.      数据类型 成员名; 　　  
4.      数据类型 成员名; 　　  
5.      ... 　　  
6.  \} 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：

**\[html\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  union A    
2.  \{  
3.      int a\[5\];       //20  
4.      short b;     //2  
5.      double c;    //8  
6.      char p2;     //1  
7.  \};  
8.    
9.  struct B \{   
10.     int n; // 4字节   
11.     A a; // 24字节   
12.     char c\[10\]; // 10字节   
13. \};

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：

**\[html\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  union f 　　  
2.  \{ 　　  
3.      char s\[10\]; 　　  
4.      int i; 　　  
5.  \};

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：

**\[html\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  \#pragma pack(1)  
2.  struct test\_t   
3.  \{  
4.      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\[0,3\] \*/  
5.      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\[4\] \*/  
6.      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\[5,6\] \*/  
7.      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\[7,C\] \*/  
8.  \};/\*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

**\[html\]**  [view plain][] [copy][view plain]

1.  \#pragma pack(2)   
2.    
3.  struct test\_t \{   
4.    
5.      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\[0,3\] \*/   
6.    
7.      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\[4\] \*/   
8.    
9.   　　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\[6,7\] \*/   
10.   
11.     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\[8,D\] \*/   
12.   
13. \};

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 \*/

共用体

union u

double a;

int b;

\};

union u2

char a\[13\];

int b;

\};

union u3

char a\[13\];

char b;

\};

cout<<sizeof(u)<<endl; // 8

cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16

cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13

都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char\[13\]类型的数组，为什么u3的大小是13，而u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。

结论：复合数据类型，如union，struct，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。

这里有个陷阱，对于结构体中的结构体成员，不要认为它的对齐方式就是他的大小，看下面的例子：

struct s1

char a\[8\];

\};

struct s2

double d;

\};

struct s3

s1 s;

char a;

\};