結構體對齊的原則及原因分析
為什麼要對齊?
現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何型別的變數的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定型別變數的時候經常在特 定的記憶體地址訪問，這就需要各種型別資料按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
對齊的作用和原因：各個硬體平臺對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定型別的資料只能從某些特定地址開始存取。比如有些架構的CPU在訪問 一個沒有進行對齊的變數的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下程式設計必須保證位元組對齊.其他平臺可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對 資料存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那 麼一個讀週期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要2個讀週期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該32bit數 據。顯然在讀取效率上下降很多。
二.位元組對齊對程式的影響:
先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環境,gcc編譯器):
設結構體如下定義：
struct A
{
int a;
char b;
short c;
};
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
現在已知32位機器上各種資料型別的長度如下:
char:1(有符號無符號同)
short:2(有符號無符號同)
int:4(有符號無符號同)
long:4(有符號無符號同)
float:4 double:8
那麼上面兩個結構大小如何呢?
結果是:
sizeof(strcut A)值為8
sizeof(struct B)的值卻是12
結構體A中包含了4位元組長度的int一個，1位元組長度的char一個和2位元組長度的short型資料一個,B也一樣;按理說A,B大小應該都是7位元組。
之所以出現上面的結果是因為編譯器要對資料成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的預設設定進行對齊的結果,那麼我們是不是可以改變編譯器的這種預設對齊設定呢,當然可以.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復預設對齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值為1：
#pragma pack (1) /*指定按1位元組對齊*/
struct D
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復預設對齊*/
sizeof(struct D)值為7。
後面我們再講解#pragma pack()的作用.
三.編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?
先讓我們看四個重要的基本概念：
1.資料型別自身的對齊值：
對於char型資料，其自身對齊值為1，對於short型為2，對於int,float,double型別，其自身對齊值為4，單位位元組。
2.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。
3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
4.資料成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有 了這些值，我們就可以很方便的來討論具體資料結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定資料存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是 表示“對齊在N上”，也就是說該資料的"存放起始地址%N=0".而資料結構中的資料變數都是按定義的先後順序來排放的。第一個資料變數的起始地址就是數 據結構的起始地址。結構體的成員變數要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變數佔用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數 倍，結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假 設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值預設為4。第一個成員變數b的自身對齊值是1，比指定或者預設指定 對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變數a，其自身對齊值為4，所以有效對齊值也為4， 所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續的位元組空間中，複核0x0004%4=0,且緊靠第一個變數。第三個變數c,自身對齊值為 2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個位元組空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是B內容。再看資料結構B的自身對齊值為其變數中最大對齊值(這裡是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10位元組，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B 共有12個位元組,sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足位元組對齊了, 因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在後面補充2個位元組,是因為編譯器為了實現結構陣列的存取效率,試想如果我們定義了一個結構B的陣列,那 麼第一個結構起始地址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照陣列的定義,陣列中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數倍,那麼下一 個結構的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結構的地址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍.其實諸如:對於char型資料，其 自身對齊值為1，對於short型為2，對於int,float,double型別，其自身對齊值為4，這些已有型別的自身對齊值也是基於陣列考慮的,只 是因為這些型別的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復預設對齊*/
第 一個變數b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變數，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續 位元組中，符合0x0002%2=0。第三個變數c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放
在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八位元組存放的是C的變數。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C 只佔用0x0000到0x0007的八個位元組。所以sizeof(struct C)=8.
四.如何修改編譯器的預設對齊值?
1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，預設是8位元組。
2.在編碼時，可以這樣動態修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.
五.針對位元組對齊,我們在程式設計中如何考慮?
如果在程式設計的時候要考慮節約空間的話,那麼我們只需要假定結構的首地址是0,然後各個變數按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結構中的變數按照 型別大小從小到大宣告,儘量減少中間的填補空間.還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做 法是顯式的插入reserved成員：
struct A{
char a;
char reserved[3];//使用空間換時間
int b;
}
reserved成員對我們的程式沒有什麼意義,它只是起到填補空間以達到位元組對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.
六.位元組對齊可能帶來的隱患:
程式碼中關於對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強制型別轉換的時候。例如：
unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;
p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;
最後兩句程式碼，從奇數邊界去訪問unsignedshort型變數，顯然不符合對齊的規定。
在x86上，類似的操作只會影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,因為它們要求必須位元組對齊.
七.如何查詢與位元組對齊方面的問題:
如果出現對齊或者賦值問題首先檢視
1. 編譯器的big little端設定
2. 看這種體系本身是否支援非對齊訪問
3. 如果支援看設定了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標誌其特殊訪問操作。
ARM下的對齊處理
from DUI0067D_ADS1_2_CompLib
3.13 type qulifiers
有部分摘自ARM編譯器文件對齊部分
對齊的使用:
1.__align(num)
這個用於修改最高級別物件的位元組邊界。在彙編中使用LDRD或者STRD時
就要用到此命令__align(8)進行修飾限制。來保證資料物件是相應對齊。
這個修飾物件的命令最大是8個位元組限制,可以讓2位元組的物件進行4位元組
對齊,但是不能讓4位元組的物件2位元組對齊。
__align是儲存類修改,他只修飾最高階型別物件不能用於結構或者函式物件。
2.__packed
__packed是進行一位元組對齊
1.不能對packed的物件進行對齊
2.所有物件的讀寫訪問都進行非對齊訪問
3.float及包含float的結構聯合及未用__packed的物件將不能位元組對齊
4.__packed對區域性整形變數無影響
5.強制由unpacked物件向packed物件轉化是未定義,整形指標可以合法定
義為packed。
__packed int* p; //__packed int 則沒有意義
6.對齊或非對齊讀寫訪問帶來問題
__packed struct STRUCT_TEST
{
char a;
int b;
char c;
} ; //定義如下結構此時b的起始地址一定是不對齊的
//在棧中訪問b可能有問題,因為棧上資料肯定是對齊訪問[from CL]
//將下面變數定義成全域性靜態不在棧上
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
__packed int* q; //此時定義成__packed來修飾當前q指向為非對齊的資料地址下面的訪問則可以
p = (char*)&a;
q = (int*)(p+1);
*q = 0x87654321;
/*
得到賦值的彙編指令很清楚
ldr r5,0x20001590 ; = #0x12345678
[0xe1a00005] mov r0,r5
[0xeb0000b0] bl __rt_uwrite4 //在此處呼叫一個寫4byte的操作函式
[0xe5c10000] strb r0,[r1,#0] //函式進行4次strb操作然後返回保證了資料正確的訪問
[0xe1a02420] mov r2,r0,lsr #8
[0xe5c12001] strb r2,[r1,#1]
[0xe1a02820] mov r2,r0,lsr #16
[0xe5c12002] strb r2,[r1,#2]
[0xe1a02c20] mov r2,r0,lsr #24
[0xe5c12003] strb r2,[r1,#3]
[0xe1a0f00e] mov pc,r14
*/
/*
如果q沒有加__packed修飾則彙編出來指令是這樣直接會導致奇地址處訪問失敗
[0xe59f2018] ldr r2,0x20001594 ; = #0x87654321
[0xe5812000] str r2,[r1,#0]
*/
//這樣可以很清楚的看到非對齊訪問是如何產生錯誤的
//以及如何消除非對齊訪問帶來問題
//也可以看到非對齊訪問和對齊訪問的指令差異導致效率問題
}
sizeof進行結構體大小的判斷
typedef struct
{
int a;
char b;
}A_t;
typedef struct
{
int a;
char b;
char c;
}B_t;
typedef struct
{
char a;
int b;
char c;
}C_t;
void main()
{
char*a=0;
cout<<sizeof(a)<<endl;//4
cout<<sizeof(*a)<<endl;//1--這個能理解
cout<<sizeof(A_t)<<endl;//8
cout<<sizeof(B_t)<<endl;//8
cout<<sizeof(C_t)<<endl;//12
}
為什麼是這樣的結果啊？
2. 語法：
sizeof有三種語法形式，如下：
1) sizeof( object ); // sizeof( 物件 );
2) sizeof( type_name ); // sizeof( 型別 );
3) sizeof object; // sizeof 物件;
5. 指標變數的sizeof
既然是來存放地址的，那麼它當然等於計算機內部地址匯流排的寬度。所以在32位計算機中，一
個指標變數的返回值必定是4（以位元組為單位），可以預計，在將來的64位系統
中指標變數的sizeof結果為8。
char* pc = "abc";
int* pi;
string* ps;
char** ppc = &pc;
void (*pf)();// 函式指標
sizeof( pc ); // 結果為4
sizeof( pi ); // 結果為4
sizeof( ps ); // 結果為4
sizeof( ppc ); // 結果為4
sizeof( pf );// 結果為4
指標變數的sizeof值與指標所指的物件沒有任何關係，正是由於所有的指標變數所佔記憶體
大小相等，所以MFC訊息處理函式使用兩個引數WPARAM、LPARAM就能傳遞各種複雜的訊息結
構（使用指向結構體的指標）。
6. 陣列的sizeof
陣列的sizeof值等於陣列所佔用的記憶體位元組數，如：
char a1[] = "abc";
int a2[3];
sizeof( a1 ); // 結果為4，字串末尾還存在一個NULL終止符
sizeof( a2 ); // 結果為3*4=12（依賴於int）
一些朋友剛開始時把sizeof當作了求陣列元素的個數，現在，你應該知道這是不對的，那
麼應該怎麼求陣列元素的個數呢？Easy，通常有下面兩種寫法：
int c1 = sizeof( a1 ) / sizeof( char ); // 總長度/單個元素的長度
int c2 = sizeof( a1 ) / sizeof( a1[0] ); // 總長度/第一個元素的長度
寫到這裡，提一問，下面的c3，c4值應該是多少呢？
void foo3(char a3[3])
{
int c3 = sizeof( a3 ); // c3 ==
}
void foo4(char a4[])
{
int c4 = sizeof( a4 ); // c4 ==
}
也許當你試圖回答c4的值時已經意識到c3答錯了，是的，c3!=3。這裡函式引數a3已不再是
陣列型別，而是蛻變成指標，相當於char* a3，為什麼？仔細想想就不難明白，我們呼叫
函式foo1時，程式會在棧上分配一個大小為3的陣列嗎？不會！陣列是“傳址”的，呼叫者
只需將實參的地址傳遞過去，所以a3自然為指標型別（char*），c3的值也就為4。
7. 結構體的sizeof
這是初學者問得最多的一個問題，所以這裡有必要多費點筆墨。讓我們先看一個結構體：
struct S1
{
char c;
int i;
};
問sizeof(s1)等於多少？聰明的你開始思考了，char佔1個位元組，int佔4個位元組，那麼加起
來就應該是5。是這樣嗎？你在你機器上試過了嗎？也許你是對的，但很可能你是錯的！V
C6中按預設設定得到的結果為8。
Why？為什麼受傷的總是我？
請不要沮喪，我們來好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結果等於物件或者型別所佔
的記憶體位元組數，好吧，那就讓我們來看看S1的記憶體分配情況：
S1 s1 = { a , 0xFFFFFFFF };
定義上面的變數後，加上斷點，執行程式，觀察s1所在的記憶體，你發現了什麼？
以我的VC6.0為例，s1的地址為0x0012FF78，其資料內容如下：
0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF
發現了什麼？怎麼中間夾雜了3個位元組的CC？看看MSDN上的說明：
When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size,
which may include padding bytes inserted for alignment.
原來如此，這就是傳說中的位元組對齊啊！一個重要的話題出現了。
為什麼需要位元組對齊？計算機組成原理教導我們這樣有助於加快計算機的取數速度，否則
就得多花指令週期了。為此，編譯器預設會對結構體進行處理（實際上其它地方的資料變
量也是如此），讓寬度為2的基本資料型別（short等）都位於能被2整除的地址上，讓寬度
為4的基本資料型別（int等）都位於能被4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個數中間就
可能需要加入填充位元組，所以整個結構體的sizeof值就增長了。
讓我們交換一下S1中char與int的位置：
struct S2
{
int i;
char c;
};
看看sizeof(S2)的結果為多少，怎麼還是8？再看看記憶體，原來成員c後面仍然有3個填充字
節，這又是為什麼啊？彆著急，下面總結規律。
位元組對齊的細節和編譯器實現相關，但一般而言，滿足三個準則：
1) 結構體變數的首地址能夠被其最寬基本型別成員的大小所整除；
2) 結構體每個成員相對於結構體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數倍，如有
需要編譯器會在成員之間加上填充位元組（internal adding）；
3) 結構體的總大小為結構體最寬基本型別成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在最末一
個成員之後加上填充位元組（trailing padding）。
對於上面的準則，有幾點需要說明：
1) 前面不是說結構體成員的地址是其大小的整數倍，怎麼又說到偏移量了呢？因為有了第
1點存在，所以我們就可以只考慮成員的偏移量，這樣思考起來簡單。想想為什麼。
結構體某個成員相對於結構體首地址的偏移量可以通過巨集offsetof()來獲得，這個巨集也在
stddef.h中定義，如下：
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
例如，想要獲得S2中c的偏移量，方法為
size_t pos = offsetof(S2, c);// pos等於4
2) 基本型別是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內建資料型別，
這裡所說的“資料寬度”就是指其sizeof的大小。由於結構體的成員可以是複合型別，比
如另外一個結構體，所以在尋找最寬基本型別成員時，應當包括複合型別成員的子成員，
而不是把複合成員看成是一個整體。但在確定複合型別成員的偏移位置時則是將複合型別
作為整體看待。
這裡敘述起來有點拗口，思考起來也有點撓頭，還是讓我們看看例子吧（具體數值仍以VC
6為例，以後不再說明）：
struct S3
{
char c1;
S1 s;
char c2
};
S1的最寬簡單成員的型別為int，S3在考慮最寬簡單型別成員時是將S1“打散”看的，所以
S3的最寬簡單型別為int，這樣，通過S3定義的變數，其儲存空間首地址需要被4整除，整
個sizeof(S3)的值也應該被4整除。
c1的偏移量為0，s的偏移量呢？這時s是一個整體，它作為結構體變數也滿足前面三個準則
，所以其大小為8，偏移量為4，c1與s之間便需要3個填充位元組，而c2與s之間就不需要了，
所以c2的偏移量為12，算上c2的大小為13，13是不能被4整除的，這樣末尾還得補上3個填
充位元組。最後得到sizeof(S3)的值為16。
通過上面的敘述，我們可以得到一個公式：
結構體的大小等於最後一個成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充位元組數目，即：
sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trail
ing padding )
到這裡，朋友們應該對結構體的sizeof有了一個全新的認識，但不要高興得太早，有一個
影響sizeof的重要參量還未被提及，那便是編譯器的pack指令。它是用來調整結構體對齊
方式的，不同編譯器名稱和用法略有不同，VC6中通過#pragma pack實現，也可以直接修改
/Zp編譯開關。#pragma pack的基本用法為：#pragma pack( n )，n為位元組對齊數，其取值
為1、2、4、8、16，預設是8，如果這個值比結構體成員的sizeof值小，那麼該成員的偏移
量應該以此值為準，即是說，結構體成員的偏移量應該取二者的最小值，公式如下：
offsetof( item ) = min( n, sizeof( item ) )
再看示例：
#pragma pack(push) // 將當前pack設定壓棧儲存
#pragma pack(2)// 必須在結構體定義之前使用
struct S1
{
char c;
int i;
};
struct S3
{
char c1;
S1 s;
char c2
};
#pragma pack(pop) // 恢復先前的pack設定
計算sizeof(S1)時，min(2, sizeof(i))的值為2，所以i的偏移量為2，加上sizeof(i)等於
6，能夠被2整除，所以整個S1的大小為6。
同樣，對於sizeof(S3)，s的偏移量為2，c2的偏移量為8，加上sizeof(c2)等於9，不能被
2整除，新增一個填充位元組，所以sizeof(S3)等於10。
現在，朋友們可以輕鬆的出一口氣了，
還有一點要注意，“空結構體”（不含資料成員）的大小不為0，而是1。試想一個“不佔
空間”的變數如何被取地址、兩個不同的“空結構體”變數又如何得以區分呢？於是，“
空結構體”變數也得被儲存，這樣編譯器也就只能為其分配一個位元組的空間用於佔位了。
如下：
struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 結果為1
8. 含位域結構體的sizeof
前面已經說過，位域成員不能單獨被取sizeof值，我們這裡要討論的是含有位域的結構體
的sizeof，只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來。
C99規定int、unsigned int和bool可以作為位域型別，但編譯器幾乎都對此作了擴充套件，允
許其它型別型別的存在。
使用位域的主要目的是壓縮儲存，其大致規則為：
1) 如果相鄰位域欄位的型別相同，且其位寬之和小於型別的sizeof大小，則後面的欄位將
緊鄰前一個欄位儲存，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域欄位的型別相同，但其位寬之和大於型別的sizeof大小，則後面的欄位將
從新的儲存單元開始，其偏移量為其型別大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域欄位的型別不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式
，Dev-C++採取壓縮方式；
4) 如果位域欄位之間穿插著非位域欄位，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小為最寬基本型別成員大小的整數倍。
還是讓我們來看看例子。
示例1：
struct BF1
{
char f1 : 3;
char f2 : 4;
char f3 : 5;
};
其記憶體佈局為：
|_f1__|__f2__|_|____f3___|____|
|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
0 3 7 8 1316
位域型別為char，第1個位元組僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個位元組中，而f3只能
從下一個位元組開始。因此sizeof(BF1)的結果為2。
示例2：
struct BF2
{
char f1 : 3;
short f2 : 4;
char f3 : 5;
};
由於相鄰位域型別不同，在VC6中其sizeof為6，在Dev-C++中為2。
示例3：
struct BF3
{
char f1 : 3;
char f2;
char f3 : 5;
};
非位域欄位穿插在其中，不會產生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。
9. 聯合體的sizeof
結構體在記憶體組織上是順序式的，聯合體則是重疊式，各成員共享一段記憶體，所以整個聯
合體的sizeof也就是每個成員sizeof的最大值。結構體的成員也可以是複合型別，這裡，
複合型別成員是被作為整體考慮的。
所以，下面例子中，U的sizeof值等於sizeof(s)。
union U
{
int i;
char c;
S1 s;
};
來源：http://blog.csdn.net/shenbin1430/article/details/4292463