sizeof(结构体)和内存对齐
更新时间:2023-05-27 18:16:01 阅读量: 实用文档 文档下载
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有的时候,在脑海中停顿了很久的“显而易见”的东西,其实根本上就是错误的。就拿下面的问题来看:
struct T
{
char ch;
int i ;
};
使用sizeof(T),将得到什么样的答案呢?要是以前,想都不用想,在32位机中,int是4个字节,char是1个字节,所以T一共是5个字节。实践出真知,在VC6中测试了下,答案确实8个字节。哎,反正受伤的总是我,我已经有点麻木了,还是老老实实的接受吧!为什么答案和自己想象的有出入呢?这里将引入内存对齐这个概念。
许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制,它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数,这就是所谓的内存对齐,而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数,我们就称类型S的对齐要求比T强(严格),而称T比S弱(宽松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计,二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器,它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始,一次读出或写入8个字节的数据,假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始,那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则,我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作,因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要求的情况下可能会出错,但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家,如果想提升性能,那么所有的程序数据都应该尽可能地对齐。
ANSI C标准中并没有规定,相邻声明的变量在内存中一定要相邻。为了程序的高效性,内存对齐问题由编译器自行灵活处理,这样导致相邻的变量之间可能会有一些填充字节。对于基本数据类型(int char),他们占用的内存空间在一个确定硬件系统下有个确定的值,所以,接下来我们只是考虑结构体成员内存分配情况。
Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80×86)的对齐策略:
1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除;
备注:编译器在给结构体开辟空间时,首先找到结构体中最宽的基本数据类型,然后寻找内存地址能被该基本数据类型所整除的位置,作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为上面介绍的对齐模数。
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍,如有需要编译器会在成员之间加上填充字节(internal adding);
备注:为结构体的一个成员开辟空间之前,编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构ITjob就业培训,九年一剑,100%就业率打造IT培训行业第一品牌
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体首地址的偏移是否是本成员的整数倍,若是,则存放本成员,反之,则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节,以达到整数倍的要求,也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍,如有需要,编译器会在最末一个成员之后加上填充字节(trailing padding)。
备注:结构体总大小是包括填充字节,最后一个成员满足上面两条以外,还必须满足第三条,否则就必须在最后填充几个字节以达到本条要求。
根据以上准则,在windows下,使用VC编译器,sizeof(T)的大小为8个字节。
而在GNU GCC编译器中,遵循的准则有些区别,对齐模数不是像上面所述的那样,根据最宽的基本数据类型来定。在GCC中,对齐模数的准则是:对齐模数最大只能是4,也就是说,即使结构体中有double类型,对齐模数还是4,所以对齐模数只能是1,2,4。而且在上述的三条中,第2条里,offset必须是成员大小的整数倍,如果这个成员大小<=4则按照上述准则进行,但是如果大于4了,则结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量(offset)只能按照是4的整数倍来进行判断是否添加填充。
看如下例子:
struct T
{
char ch;
double d ;
};
那么在GCC下,sizeof(T)应该等于12个字节。
如果结构体中含有位域(bit-field),那么VC中准则又要有所更改:
1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;
2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;
3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式(不同位域字段存放在不同的位域类型字节中),Dev-C++和GCC都采取压缩方式; 备注:当两字段类型不一样的时候,对于不压缩方式,例如:
struct N
{
char c:2;
int i:4;
};
依然要满足不含位域结构体内存对齐准则第2条,i成员相对于结构体首地址的偏移应该是4的整数倍,所以c成员后要填充3个字节,然后再开辟4个字节的空间作为int型,其中4位用来存放i,所以上面结构体在VC中所占空间为8个字节;而对于采用压缩方式的编译器来说,遵循不含位域结构体内存对齐准则第2条,不同的是,如果填充的3个字节能容纳后面成员的位,则压缩到填充字节中,不能容纳,则要单独开辟空间,所以上面结构体N在GCC或者Dev-C++中所占空间应该是4个字节。
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4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;
备注:
结构体5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。
typedef struct
{
char c:2;
double i;
int c2:4;
}N3;
在GCC下占据的空间为16字节,在VC下占据的空间应该是24个字节。
ps:
对齐模数的选择只能是根据基本数据类型,所以对于结构体中嵌套结构体,只能考虑其拆分的基本数据类型。而对于对齐准则中的第2条,确是要将整个结构体看成是一个成员,成员大小按照该结构体根据对齐准则判断所得的大小。
类对象在内存中存放的方式和结构体类似,这里就不再说明。需要指出的是,类对象的大小只是包括类中非静态成员变量所占的空间,如果有虚函数,那么再另外增加一个指针所占的空间即可。
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