徹底搞清計算結構體大小和數據對齊原則
By Qianghaohao
數據對齊:
許多計算機系統對基本數據類型合法地址做出了一些限制，要求某種類型對象的地址必須是
某個值K(通常是2，4或8)的倍數。這種對齊限制簡化了形成處理器和存儲器系統之間的接口的硬件
設計。例如，假設一個處理器總是從存儲器中取出8個字節，則地址必須為8的倍數。如果我們能保
證將所有的double類型數據的地址對齊成8的倍數，那么就可以用一個存儲器操作來讀或者寫值了。
否則，我們可能需要執行兩次存儲器訪問，因為對象可能被分放在兩個8字節存儲塊中。
當數據類型為結構體時，編譯器可能需要在結構體字段的分配中插入間隙，以保證每個結構元素都
滿足它的對齊要求。而結構本身對它的地址也有一些對齊要求，此時可能需要在結構末尾填充一些
空間，以滿足結構體整體的對齊----向結構體元素中最大的元素對齊。稍后會用代碼說明!!!
Linux和Microsoft Windows的對齊方式有何不同:
一.Linux的對齊策略:
在Linux中2字節數據類型(例如short)的地址必須是2的倍數，而較大的數據類型(例如int，int *
，float和double)的地址必須是4的倍數。也就是說Linux下要么2字節對齊，要么4字節對齊，沒
有其他格式的對齊。
二.Microsoft Windows的對齊策略:
在Windows中對齊要求更嚴--任何K字節基本對象的地址都必須是K的倍數，K=2，4，或者8.
特別地，double或者long long類型數據的地址應該是8的倍數。可以看出Windows的對齊策略和
Linux還是不同的。稍后用代碼說明!!!
接下來用代碼和圖文說明兩者的對齊方式(不同的對齊方式產生的結構體大小不同):
測試代碼如下:
/////////////////////////////////////
// filename:DataAlignment
/////////////////////////////////////
#include<stdio.h>
typedef struct
{
char c;
int i[2];
double v;
}S;
int main()
{
printf("size of S = %d\n", sizeof(S));
return 0;
}
程序中定義了一個結構體，在沒有任何數據對齊時內存布局如下:
一.在紅帽Linux i686上編譯編譯后結構S的布局如下:
由於要保證結構體每個元素都要數據對齊，因此必須在c和i[0]之間插入3字節的間隙(圖中陰影部分為編譯器插入的間隙)
使得i[0]和后面的元素的的偏移量都為4的倍數，這樣最終S結構大小為20字節。
運行程序結果為:
size of S = 20
二.在Microsoft Windows 上編譯后S的內存布局如下:
在windows下int類型4個字節，因此int類型要向4字節對齊，double類型8字節，因此要向8字節對齊。因此在
c和i[0]之間插入3字節的間隙(圖中陰影部分)，使得i[0]的偏移量為4的倍數，同時在i[1]和v之間插入4字節的間隙，
使得v的偏移量為8的倍數。這樣最終S結構的大小為24字節。
運行程序結果為:
size of S = 24
從以上對比可以看出Linux下和windows下的對齊策略是不同的，這就導致在兩個平台下結構體的大小不同。
現在考慮如下代碼:
#include<stdio.h>
typedef struct
{
int i;
int j;
char c;
}S1;
int main()
{
printf("size of S1 = %d\n", sizeof(S1));
return 0;
}
可能很多人認為編譯后運行結果為9，以為結構體的每個元素都滿足各自的對齊要求。其實不然，別忘了還有要考慮
結構體整體的對齊。假如有如下聲明:
S1 d[4];
如果這樣分配9個字節，不可能滿足d的每個元素的對齊要求，因為這些元素的地址分別為xd，xd+9，xd+18，
xd+27。這樣只有第一個元素滿足4字節對齊的要求，而其他的元素的地址都不是4的倍數。
因此編譯器會在結構體的末尾填充3字節滿足結構體整體的對齊要求，填充后的內存布局如下:
這樣一來，d的元素的地址分別為xd，xd+12，xd+24，xd+36，滿足4字節的整數倍，這樣最終S1的大小
為12字節，而不是9字節.
總結:通過代碼的對比，可以看出Linx和Windwos的數據對齊有所差異，這就導致
在一些情況下兩者平台結構體類型大小的不同。通過以上示例分析我們可以很簡單的
計算出在任何平台下結構體的大小。讀者可以找相關的練習題繼續練習下，驗證結果
的正確性。相信仔細閱讀本文應該能搞定所有類似的問題!!!
本文參考書籍:
鏈接:
深入理解計算機系統原書第2版