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C++ 自定義結構體和類 內存對齊

編輯:C++入門知識

為什麼要提出內存對齊?

比如這麼一種處理器,它每次讀寫內存的時候都從某個8倍數的地址開始,一次讀出或寫入8個字節的數據,假如軟件能保證double類型的數據都從8倍數地址開始,那麼讀或寫一個double類型數據就只需要一次內存操作。否則,我們就可能需要兩次內存操作才能完成這個動作,因為數據或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8字節內存塊上。(在有謝處理器上內存不對齊的話可能會出現錯誤)


一些例子(在vc的編譯器上)

下面用前面的例子來說明VC到底怎麼樣來存放結構的。

struct MyStruct

{

double dda1;

char dda;

int type

};

為上面的結構分配空間的時候,VC根據成員變量出現的順序和對齊方式,先為第一個成員dda1分配空間,其起始地址跟結構的起始地址相同(剛好偏移量0剛好為sizeof(double)的倍數),該成員變量占用sizeof(double)=8個字節;接下來為第二個成員dda分配空間,這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為8,是sizeof(char)的倍數,所以把dda存放在偏移量為8的地方滿足對齊方式,該成員變量占用sizeof(char)=1個字節;接下來為第三個成員type分配空間,這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為9,不是sizeof(int)=4的倍數,為了滿足對齊方式對偏移量的約束問題,VC自動填充3個字節(這三個字節沒有放什麼東西),這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為12,剛好是sizeof(int)=4的倍數,所以把type存放在偏移量為12的地方,該成員變量占用sizeof(int)=4個字節;這時整個結構的成員變量已經都分配了空間,總的占用的空間大小為:8+1+3+4=16,剛好為結構的字節邊界數(即結構中占用最大空間的類型所占用的字節數sizeof(double)=8)的倍數,所以沒有空缺的字節需要填充。所以整個結構的大小為:sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16,其中有3個字節是VC自動填充的,沒有放任何有意義的東西。

面再舉個例子,交換一下上面的MyStruct的成員變量的位置,使它變成下面的情況:

struct MyStruct

{

char dda;

double dda1;

int type

};

這個結構占用的空間為多大呢?在VC6.0環境下,可以得到sizeof(MyStruc)為24。結合上面提到的分配空間的一些原則,分析下VC怎麼樣為上面的結構分配空間的。(簡單說明)


struct MyStruct

{

char dda;//偏移量為0,滿足對齊方式,dda占用1個字節;
double dda1;//下一個可用的地址的偏移量為1,不是sizeof(double)=8,需要補足7個字節才能使偏移量變為8(滿足對齊,因此VC自動填充7個字節,dda1存放在偏移量為8的位置,它占用8個字節。

int type//下一個可用的地址的偏移量為16,是sizeof(int)=4的倍數,滿足int的對齊方式,所以不需要VC自動填充,type存放在偏移量為16的地址上,它占用4個字節。

};


所有成員變量都分配了空間,空間總的大小為1+7+8+4=20,不是結構的節邊界數(即結構中占用最大空間的類型所占用的字節數sizeof(double)=8)的倍數,所以需要填充4個字節,以滿足結構的大小為sizeof(double)=8的倍數。
所以該結構總的大小為:sizeof(MyStruc)為1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個字節是VC自動填充的,沒有放任何有意義的東西。


VC對結構的存儲的特殊處理確實提高CPU存儲變量的速度,但是有時候也帶來了一些麻煩,我們也屏蔽掉變量默認的對齊方式,自己可以設定變量的對齊方式。

VC中提供了#pragma pack(n)來設定變量以n字節對齊方式。n字節對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況:第一、如果n大於等於該變量所占用的字節數,那麼偏移量必須滿足默認的對齊方式,第二、如果n小於該變量的類型所占用的字節數,那麼偏移量為n的倍數,不用滿足默認的對齊方式。結構的總大小也有個約束條件,分下面兩種情況:如果n大於所有成員變量類型所占用的字節數,那麼結構的總大小必須為占用空間最大的變量占用的空間數的倍數;

否則必須為n的倍數。下面舉例說明其用法。

#pragma pack(push) //保存對齊狀態

#pragma pack(4)//設定為4字節對齊

struct test

{

char m1;

double m4;

int m3;

};

#pragma pack(pop)//恢復對齊狀態

以上結構的大小為16,下面分析其存儲情況,首先為m1分配空間,其偏移量為0,滿足我們自己設定的對齊方式(4字節對齊),m1占用1個字節。接著開始為m4分配空間,這時其偏移量為1,需要補足3個字節,這樣使偏移量滿足為n=4的倍數(因為sizeof(double)大於n),m4占用8個字節。接著為m3分配空間,這時其偏移量為12,滿足為4的倍數,m3占用4個字節。這時已經為所有成員變量分配了空間,共分配了16個字節,滿足為n的倍數。如果把上面的#pragma pack(4)改為#pragma pack(16),那麼我們可以得到結構的大小為24。


 

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