C++面試題之結構體內存對齊計算問題總結大全

2020-01-26 13:58:54

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供稿：網友

前言

本文給大家介紹的是關于C++結構體內存對齊計算的相關內容，內存對齊計算可謂是筆試題的必考題，但是如何按照計算原則算出正確答案一開始也不是很容易的事，所以專門通過例子來復習下關于結構體內存對齊的計算問題。話不多說，來一起看看詳細介紹吧。

編譯環境：vs2015

對齊原則：

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，以后每個數據成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度中，比較小的那個進行。

原則2：結構(或聯合)的整體對齊規則：在數據成員完成各自對齊之后，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行。

原則3：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。

默認對齊值：

Linux 默認#pragma pack(4)

window 默認#pragma pack(8)

注：可以通過預編譯命令#pragma pack(n) ，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是指定的“對齊系數”。

例一：一字節對齊

第一步：成員數據對齊

#pragma pack(1)struct AA { int a; //長度4 < 1 按1對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,3] char b; //長度1 = 1 按1對齊；偏移量為4；存放位置區間[4] short c; //長度2 > 1 按1對齊；偏移量為5；存放位置區間[5,6] char d; //長度1 = 1 按1對齊；偏移量為6；存放位置區間[7] //整體存放在[0~7]位置區間中，共八個字節。};#pragma pack()

第二步：整體對齊

整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 1) = 1，所以不需要再進行整體對齊。整體大小就為8。

圖示如下：

例二：二字節對齊

第一步：成員數據對齊

#pragma pack(2)struct AA { int a; //長度4 > 2 按2對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,3] char b; //長度1 < 2 按1對齊；偏移量為4；存放位置區間[4] short c; //長度2 = 2 按2對齊；偏移量要提升到2的倍數6；存放位置區間[6,7] char d; //長度1 < 2 按1對齊；偏移量為7；存放位置區間[8]；共九個字節};#pragma pack()

第二步：整體對齊

整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 2) = 2，將9提升到2的倍數，則為10.所以最終結果為10個字節。

圖示如下：（X為補齊部分）

例三：四字節對齊

第一步：成員數據對齊

#pragma pack(4)struct AA { int a; //長度4 = 4 按4對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,3] char b; //長度1 < 4 按1對齊；偏移量為4；存放位置區間[4] short c; //長度2 < 4 按2對齊；偏移量要提升到2的倍數6；存放位置區間[6,7] char d; //長度1 < 4 按1對齊；偏移量為7；存放位置區間[8]；總大小為9};#pragma pack()

第二步：整體對齊

整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 4) = 4，將9提升到4的倍數，則為12.所以最終結果為12個字節。

圖示如下：（X為補齊部分）

例三：八字節對齊

第一步：成員數據對齊

#pragma pack(8)struct AA { int a; //長度4 < 8 按4對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,3] char b; //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為4；存放位置區間[4] short c; //長度2 < 8 按2對齊；偏移量要提升到2的倍數6；存放位置區間[6,7] char d; //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為7；存放位置區間[8]，總大小為9};#pragma pack()

第二步：整體對齊

整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 8) = 4，將9提升到4的倍數，則為12.所以最終結果為12個字節。圖示如上。

注：可以通過stddef.h庫中的offsetof宏來查看對應結構體元素的偏移量。

例四：結構體中包含結構體的運算

整體計算過程如下

struct EE{ int a; //長度4 < 8 按4對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,3] char b; //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為4；存放位置區間[4] short c; //長度2 < 8 按2對齊；偏移量由5提升到6；存放位置區間[6,7] //結構體內部最大元素為int,由于偏移量為8剛好是4的整數倍，所以從8開始存放接下來的struct FF struct FF { int a1; //長度4 < 8 按4對齊；偏移量為8；存放位置區間[8,11] char b1; //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為12；存放位置區間[12] short c1; //長度2 < 8 按2對齊；偏移量為13,提升到2的倍數14；存放位置區間[14,15] char d1; //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為16；存放位置區間[16] }; //整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 8) = 4，將內存大小由17補齊到4的整數倍20 char d;  //長度1 < 8 按1對齊；偏移量為21；存放位置區間[21] //整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 8) = 4，將內存大小由21補齊到4的整數倍24};

圖示如下：

例五：再來一個嵌套結構體的計算

整體計算過程如下

struct B { char e[2]; //長度1 < 8 按2對齊；偏移量為0；存放位置區間[0,1] short h; //長度2 < 8 按2對齊；偏移量為2；存放位置區間[2,3] //結構體內部最大元素為double,偏移量為4，提升到8，所以從8開始存放接下來的struct A struct A { int a; //長度4 < 8 按4對齊；偏移量為8；存放位置區間[8,11] double b; //長度8 = 8 按8對齊；偏移量為12，提升到16；存放位置區間16,23] float c; //長度4 < 8,按4對齊；偏移量為24，存放位置區間[24,27] }; //整體對齊系數 = min((max(int,double,float), 8) = 8，將內存大小由28補齊到8的整數倍32};

圖示如下：