结构体内存对齐与位域

C语言结构体的对齐问题

C语言的结构体对齐问题是常见类型的题目，在笔试和面试中也是常考的题目，例如：

struct

{

   int a;

   char b;

   long c;

   short d;

}s;

问sizeof(s) = ?

我们假设在32位机器下，要解决这个问题我们必须明确各种数据类型占用的空间是多大：

     int 类型：4字节；

  long类型：4字节；

double类型：8字节；

float 类型：4字节；

short 类型：2字节；

char  类型：1字节；

所有指针类型：4字节；

int a[] = {1,2,3,4}:sizeof(a) = 16。

好，明确了上述就开始进入正题：

一般情况下，即没有#pragma pack宏定义和使用位域的情况下，结构体对齐一般满足三个原则：

1.普通数据成员：第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int为4字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

2.结构体数据成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储）。

3.结构体的总大小，必须是其内部最大元素占据字节的整数倍。

struct {
int a;
int b;
int c;

}A;

sizeof(A) = 12;//简单，内部成员均为int型，自动对齐。

  struct{

           char a;

           int b;

           short c;

           double d;

    }B;

sizeof(B)=?

a占用一个字节：

1

b占用四个字节，根据原则1，b起始地址必须为4的整数倍，现在为1，不符合条件，因此必须填充：

1*** 1111

c占用二个字节，符合原则1，根据原则3，总位数应该为4的整数倍，因此最后应该填充两个字节：

1*** 1111 11**

d占用八个字节，根据原则1，起始地址应该为8的整数倍，现在为12，需要填充：

1*** 1111 11** **** 11111111

所以sizeif(B) = 24

typedef struct

{

   int a;

   double b;

   float c;

}A1;

struct

{

  char e[2];

  int  f;

  double g; 

  short h;

  A1 sa;

}B1;

sizeof(A1)=?;sizeof(B1)=?

先来看A1，

a占用四个字节：

1111

b占用八个字节，根据原则1，b的起始地址为8的整数倍，现在为1，应该填充七个字节：

1111**** 11111111

c占用四个字节，现在满足原则1，

1******* 11111111 1111

但是根据原则3，A1的总大小必须是8的倍数，因此，还要填充四个字节：

1111****11111111 1111****

所以sizeof(A1) = 24;

现在来看B1，

首先e中有两个char型元素，占两个字节：

11

int型的f占据四个字节，根据原则1，f的起始地址为4的整数倍，填充：

11**1111

double类型的g占八个字节，根据原则1，g的起始地址为8的整数倍，符合，不用填充：

11** 11111111 1111

short类型h占据二个字节,符合原则1，根据原则3，填充：

11** 11111111 11******

最后sa占据24个字节，其内部最大成员的字节数为8，因此sa的起始地址为8的整数倍，符合

11** 11111111 11****** 111111111111111111111111

所有sizeof(B1) = 48;

上述都是没有#pragma pack宏的情况，如果有#pragma pack宏，对齐方式按照宏的定义。比如上面的结构体前加#pragma pack(1)，则sizeof(A1) = 16; sizeof(B1) = 32;

有了#pragma pack(1)，内存不会再遵循原则1和原则3了，按1字节对齐，即可理解为内部成员占用字节的和。

那么#pragma pack(2)呢？

代表按照两个字节对齐，这种情况下，sizeof(A1) = 16; sizeof(B1) = 32

#pragma pack(4)宏定义下：
sizeof(A1) = 16; sizeof(B1) = 36

最后介绍下结构体中的位域。

字面理解位域就是说某些数据元素并不需要占据一整个字节，只需要占据几位，例如数字8，就只需要占据一个字节的四位即可表示。所谓位域，就是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域，并说明每个区域的位数。

例如下面的定义：

struct

{

　int a:8;

　int b:2;

　int c:6;

}A; 

位域a占8位，位域b占2位，位域c占6位，总共占据两个字节。

关于位域的对齐，有如下几点：

1. 如果相邻位域类型相同，位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

2. 如果相邻位域类型相同，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. 如果相邻位域类型不同，则vc6采取不压缩方式，dev-c++ 和GCC都采取压缩方式。依然满足结构体内存对齐三个原则中的原则1，在不压缩方式下，如果前一个位域类型有填充，后面的位域类型和前面的位域类型不相同，则填充的区域不能存放放后面的位域，需另开辟空间；而在压缩方式下，填充的区域如果可以放下后者位域，则存放，放不下的情况下再另开辟空间。

4.一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨字节；

5.如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

 struct

    {

          char a:2;

          int b:4;

          int c:4;

    }A;

在不压缩条件下：char类型占据一个字节，而a占用其中两位；根据原则1，b的类型int占据四个字节，应该从4的整数倍处开始存放，所以char后应该填充三个字节，这三个字节虽然能够容纳b，但是必须另开空间，再开辟四个字节的空间存放int，而b占据四个字节，后面c的类型和b的类型相同，所以紧邻b存储，占据四个字节。所以在vc下，sizeof(A) = 8;

压缩条件下：char类型占据一个字节，而a占用其中两位；根据原则1，b的类型int占据四个字节，应该从4的整数倍处开始存放，所以char后应该填充三个字节，这三个字节能够容纳b和c，因此不需要重新开辟空间，直接在这三个字节上存储，所以sizeof(A) = 4;