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結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的規(guī)則詳解及C++代碼驗(yàn)證

 更新時(shí)間:2021年08月16日 16:42:12   投稿:BJT  
在c語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體里面一般會(huì)按照某種規(guī)則去進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊。本文就來(lái)介紹一下如何實(shí)現(xiàn),具有一定的參考價(jià)值,感興趣的可以了解下

基本概念

CPU一次能讀取多少個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)主要是看數(shù)據(jù)總線是多少位的,16位CPU一次能讀取2個(gè)字節(jié),32位CPU一次能讀取4個(gè)字節(jié),64位CPU一次能讀取8個(gè)字節(jié)。并且不能跨內(nèi)存區(qū)間訪問(wèn),這句話的意思可以理解為,如果CPU是32位的話,那么可以將整個(gè)內(nèi)存區(qū)間每4個(gè)字節(jié)分為一塊(BLOCK),每次讀取一個(gè)BLOCK的數(shù)據(jù)。

那么對(duì)于下面這個(gè)結(jié)構(gòu)體:

struct st {
    char c;
    int i;
};

如果不進(jìn)行對(duì)齊操作,char 的地址范圍0x00000000,int的地址范圍為0x00000001----0x00000004,int分布在兩個(gè)不同的BLOCK上,因此要讀取int需要兩次操作;如果進(jìn)行4字節(jié)對(duì)齊,那么int的地址范圍為0x00000004----0x00000007,處在一個(gè)BLOCK上,因此只需一次讀取操作即可。缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),多占用了3個(gè)字節(jié)。這也是典型的一種空間換時(shí)間的方法吧。

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的規(guī)則

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊需要滿足以下三條規(guī)則,其中系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)在64位機(jī)器上默認(rèn)為8字節(jié),32位機(jī)器上默認(rèn)為4字節(jié)。通過(guò)預(yù)處理指令#pargma pack(N)可以修改系統(tǒng)模數(shù)為N個(gè)字節(jié)。

1、以結(jié)構(gòu)體第一個(gè)元素的地址為起始地址,亦即結(jié)構(gòu)體的起始地址。由上可知,第一個(gè)元素的偏移量為0;

2、結(jié)構(gòu)體元素對(duì)齊原則:結(jié)構(gòu)體成員的對(duì)齊模數(shù)為類(lèi)型大小與系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)的較小者;結(jié)構(gòu)體成員的偏移量(填充)為對(duì)齊模數(shù)的整數(shù)倍。

3、結(jié)構(gòu)體大小對(duì)齊原則:結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊模數(shù)為結(jié)構(gòu)體最大元素與系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)的較小者;結(jié)構(gòu)體的大?。ㄌ畛洌榻Y(jié)構(gòu)體對(duì)齊模數(shù)的整數(shù)倍。

程序驗(yàn)證

測(cè)試環(huán)境為64位Windows ,VS2019,定義結(jié)構(gòu)體st1,包含3個(gè)元素char,int,double,定義系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)為4個(gè)字節(jié)。

#include <iostream>

#pragma pack(4)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    int i;
    double db;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結(jié)構(gòu)體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    return 0;
}

首先我們按照對(duì)齊規(guī)則來(lái)進(jìn)行分析。第一個(gè)元素為char,類(lèi)型大小為1個(gè)字節(jié),對(duì)齊模數(shù)min(1,4)=1,偏移量為0是對(duì)齊模數(shù)的整數(shù)倍,無(wú)需填充(從這里我們可以看到,第一個(gè)字節(jié)偏移量始終為0,是不需要填充的),下一個(gè)元素的偏移從1開(kāi)始;第二個(gè)元素為int,類(lèi)型大小4個(gè)字節(jié),對(duì)齊模數(shù)為4個(gè)字節(jié),不填充時(shí)偏移量為1,不是4的整數(shù)倍,因此這里需要填充3個(gè)字節(jié),使得int的偏移量為4,且下一個(gè)元素偏移從8開(kāi)始;第三個(gè)元素是double,類(lèi)型大小為8個(gè)字節(jié),對(duì)齊模數(shù)為4,偏移量從8開(kāi)始,是4的整數(shù)倍,因此無(wú)需填充,占用8個(gè)字節(jié),因此結(jié)構(gòu)體的大小為16個(gè)字節(jié)。運(yùn)行程序輸出:

在這里插入圖片描述

將系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)修改為1 【#pargma pack(1)】,這樣的話,任何情況下都無(wú)需填充(不足一個(gè)字節(jié)的類(lèi)型視為一個(gè)字節(jié)),結(jié)構(gòu)體的大小即為結(jié)構(gòu)體元素大小之和。運(yùn)行程序輸出:

在這里插入圖片描述

將系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)修改為8 【#pargma pack(8)】,這樣的話,任何情況下都無(wú)需填充(不足一個(gè)字節(jié)的類(lèi)型視為一個(gè)字節(jié)),結(jié)構(gòu)體的大小即為結(jié)構(gòu)體元素大小之和。運(yùn)行程序輸出:

在這里插入圖片描述

Emmm,好像和系統(tǒng)對(duì)齊模數(shù)為4時(shí)沒(méi)什么變化。那我們將int 和 double的順序換一下呢?

#include <iostream>

#pragma pack(8)

using Tsize = unsigned long long;
using namespace std;

struct st1 {
    char c;
    double db;
    int i;
    Tsize ch_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->c - (Tsize)this);
    }
    Tsize int_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->i - (Tsize)this);
    }
    Tsize double_offset() {
        return Tsize((Tsize)&this->db - (Tsize)this);
    }
};

int main() {
    cout << "st1結(jié)構(gòu)體大小" << sizeof(st1) << endl;
    cout << "char 偏移量=" << st1().ch_offset() << endl;
    cout << "double偏移量=" << st1().double_offset() << endl;
    cout << "int偏移量=" << st1().int_offset() << endl;
    return 0;
}

在這里插入圖片描述

順序調(diào)了下,結(jié)構(gòu)體就比原來(lái)大了8個(gè)字節(jié)!!!從中我們可以看出,將結(jié)構(gòu)體元素從小到大排列,可以最大程度節(jié)省空間。

總結(jié)

本篇文章就到這里了,希望能給你帶來(lái)幫助,也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

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