c/c++ 的記憶體位元組對齊

阿新 • • 發佈：2022-05-06

記憶體對齊

先了解下C/C++基本型別的位元組佔用情況，

alignas 關鍵字

#pragma pack(N)

pragma pack 規定的對齊長度，實際使用的規則是：

結構（如struct，union，或者class ）內部的資料成員，第一個放在偏移為0的地方，以後每個資料成員的對齊，按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員自身長度中，比較小的那個進行。
而結構之間整體的對齊，則按照結構中最大的資料成員和 #pragma pack指定值之間，較小的那個進行。

也就是說，當#pragma pack的值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個值的大小將不產生任何效果。

再來看個例子：

#include <iostream>
using namespace std;

#define OFFSET(struct_type, member) ((size_t) &((struct_type *) 0)->member)

#pragma pack(4)
struct TestB
{
    int aa; 　　// 第一個成員，放在[0,3]偏移的位置，
    char a;　　// 第二個成員，自身長為1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以這個成員按一位元組對齊，放在偏移[4]的位置。
    short b;  //第三個成員，自身長2，#pragma pack(4)，取2，按2位元組對齊，所以放在偏移[6,7]的位置。  

    char c;  //第四個，自身長為1，放在[8]的位置。
};
#pragma pack()

int main() {

    cout<< sizeof(TestB) << endl;　　　　// 12
    cout<< OFFSET(TestB, aa) <<endl;　　// 0
    cout<< OFFSET(TestB, a) <<endl;　　// 4
    cout<< OFFSET(TestB, b) <<endl;　　// 6
    cout<< OFFSET(TestB, c) <<endl;　　// 
 8
}

上面的例子中，這個struct 實際佔據的記憶體空間是9位元組，但sizeof返回的是12，原因：

結構之間的對齊，是按照結構內部最大的成員的長度，和#pragma pack規定的值之中較小的一個對齊的。
所以這個例子中，結構之間對齊的長度是min(sizeof(int), 4)，也就是4。 4的倍數且比8（最後一個成員的偏移）大的是12，所以整個結構的佔用位元組數是12。

上面的例子中，去掉第一個int成員再來看：

#pragma pack(4)

struct TestB
{
//    int aa; 
    char a; // 第一個成員，放在[0]偏移的位置
    short b; // 第二個成員，自身長2，#pragma pack(4)，取2，按2位元組對齊，所以放在偏移[2,3]的位置
    char c; //第三個，自身長為1，放在[4]的位置。

};

#pragma pack()

int main() {
    cout<< sizeof(TestB) << endl;   // 6
//  cout<< OFFSET(TestB, aa) <<endl;
    cout<< OFFSET(TestB, a) <<endl; // 0
    cout<< OFFSET(TestB, b) <<endl; // 2
    cout<< OFFSET(TestB, c) <<endl; // 4

}

這個例子中，結構之間對齊的長度是min(sizeof(short), 4)，也就是2。 2的倍數且比4（最後一個成員的偏移）大的是6，所以整個結構的佔用位元組數是6。

換一種修改，只修改pragma的值，

#pragma pack(2)

struct TestB
{
    int aa; // 第一個成員，放在[0,3]
    char a; // 二個成員，自身長1，放在[4]
    short b; // 第三個成員，自身長2，#pragma pack(2)，取2，按2位元組對齊，所以放在偏移[6,7]的位置
    char c; //第四個，自身長為1，放在[8]的位置。

};

#pragma pack()

int main() {

    cout<< sizeof(TestB) << endl;   // 10
    cout<< OFFSET(TestB, aa) <<endl;    // 0
    cout<< OFFSET(TestB, a) <<endl; // 4
    cout<< OFFSET(TestB, b) <<endl; // 6
    cout<< OFFSET(TestB, c) <<endl; // 8

}

更多例子：

有陣列的情況：

#pragma pack(4)

struct TestB
{
    float a[5];     // 第一個成員，放在[0, 19]
    char b;         // 第二個成員，自身長1，放在[20]
    float c[7];    // 第三個成員，自身長4，#pragma pack(4)，取4，按4位元組對齊，所以放在偏移[24,51]的位置
    char d;         //第四個，自身長為1，放在[52]的位置。
};

#pragma pack()


int main() {

    cout<< sizeof(TestB) << endl;   // 56
    cout<< OFFSET(TestB, a) <<endl;    // 0
    cout<< OFFSET(TestB, b) <<endl; // 20
    cout<< OFFSET(TestB, c) <<endl; // 24
    cout<< OFFSET(TestB, d) <<endl; // 52

}

修改pack引數：

#pragma pack(2)

struct TestB
{
    float a[5];     // 第一個成員，放在[0, 19]
    char b;         // 第二個成員，自身長1，放在[20]
    float c[7];    // 第三個成員，自身長4，#pragma pack(2)，取2，按2位元組對齊，所以放在偏移[22,49]的位置
    char d;         //第四個，自身長為1，放在[50]的位置。
};

#pragma pack()


int main() {

    cout<< sizeof(TestB) << endl;   // 52
    cout<< OFFSET(TestB, a) <<endl;    // 0
    cout<< OFFSET(TestB, b) <<endl; // 20
    cout<< OFFSET(TestB, c) <<endl; // 22
    cout<< OFFSET(TestB, d) <<endl; // 50

}