如何解决C++结构体内存对齐计算问题

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编译环境：vs2015

对齐原则：

      原则1：数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

      原则2：结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。

      原则3：结构体作为成员：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。

默认对齐值：

Linux 默认#pragma pack(4)

window 默认#pragma pack(8)

注：可以通过预编译命令#pragma pack(n) ，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是指定的“对齐系数”。

例一：一字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(1)
struct AA {
 int a; //长度4 < 1 按1对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 char b; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
 short c; //长度2 > 1 按1对齐；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
 char d; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为6；存放位置区间[7]
 //整体存放在[0~7]位置区间中，共八个字节。
};
#pragma pack()

第二步： 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1，所以不需要再进行整体对齐。整体大小就为8。

图示如下：

例二：二字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(2)
struct AA {
 int a; //长度4 > 2 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 char b; //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
 short c; //长度2 = 2 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 char d; //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节
};
#pragma pack()

第二步： 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2，将9提升到2的倍数，则为10.所以最终结果为10个字节。

图示如下：（X为补齐部分）

例三：四字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(4)
struct AA {
 int a; //长度4 = 4 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 char b; //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
 short c; //长度2 < 4 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 char d; //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；总大小为9
};
#pragma pack()

第二步： 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4，将9提升到4的倍数，则为12.所以最终结果为12个字节。

图示如下：（X为补齐部分）

例三：八字节对齐

第一步： 成员数据对齐

#pragma pack(8)
struct AA {
 int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 char b; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
 short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 char d; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]，总大小为9
};
#pragma pack()

第二步： 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将9提升到4的倍数，则为12.所以最终结果为12个字节。图示如上。

注：可以通过stddef.h库中的offsetof宏来查看对应结构体元素的偏移量。

例四：结构体中包含结构体的运算

整体计算过程如下

struct EE
{
 int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 char b; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
 short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量由5提升到6；存放位置区间[6,7]
 //结构体内部最大元素为int,由于偏移量为8刚好是4的整数倍，所以从8开始存放接下来的struct FF
 struct FF
 {
 int a1; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
 char b1; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为12；存放位置区间[12]
 short c1; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为13,提升到2的倍数14；存放位置区间[14,15]
 char d1; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为16；存放位置区间[16]
 };
 //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由17补齐到4的整数倍20
 char d;  //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为21；存放位置区间[21]
 //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由21补齐到4的整数倍24
};

图示如下：

例五：再来一个嵌套结构体的计算

整体计算过程如下

struct B {
 char e[2]; //长度1 < 8 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,1]
 short h; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为2；存放位置区间[2,3]
 //结构体内部最大元素为double,偏移量为4，提升到8，所以从8开始存放接下来的struct A
 struct A {
 int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
 double b; //长度8 = 8 按8对齐；偏移量为12，提升到16；存放位置区间16,23]
 float c; //长度4 < 8,按4对齐；偏移量为24，存放位置区间[24,27]
 };
 //整体对齐系数 = min((max(int,double,float), 8) = 8，将内存大小由28补齐到8的整数倍32
};

图示如下：

小结：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

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