C语言的字节对齐探究

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环境如下（下文所有涉及类型长度都是以此环境为依据）：

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# uname  -a
2.6.32-696.el6.i686 #1 SMP Tue Mar 21 18:53:30 UTC 2017 i686 i686 i386 GNU/Linux
# gcc -v 
…………
gcc version 4.4.7 20120313 (Red Hat 4.4.7-18) (GCC)

32位类型所占字节数

类型长度（字节）
char1
short2
int3
float4
double8

缺省对齐

在C语言中，结构是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构、联合等）的数据单元。

在结构中，各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

结构内，编译器在默认情况下使结构成员按其类型长度对齐，即int类型成员对齐长度为4，double类型成员对齐长度为8。成员起始偏移（相对结构地址）必须是对齐长度或其倍数；不满足，则需要在前一个成员后添加空字节使其满足。

结构外（指作为整体单独计算或作为其他结构的成员计算），以结构内部最大成员类型长度对齐。

先对结构内对齐方式进行验证，代码如下（代码段1）：

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue)     printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct 
{
    char a;
    double b;
    short c;
}struct_a;

typedef struct 
{
    char a;
    short b;
    double c;
}struct_b;

int main(void)
{
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, a))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, b))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, c))
    PRINTF(sizeof(struct_a))

    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, c))
    PRINTF(sizeof(struct_b))
    
    return 0;
}

编译之后运行结果如下：

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# gcc  test.c ; ./a.out  
OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 4 
OFFSET_M(struct_a, c) is 12 
sizeof(struct_a) is 16 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 4 
sizeof(struct_b) is 12

运行结果与我们预想的不一样。struct_a中b的偏移应该为8，而不应该为4！

造成此结果的原因为：gcc编译器进行了一些优化，在32位系统中默认对齐长度为4字节，64位系统中默认对齐字节为8字节，因此对验证有影响。

为了消除此影响，代码转到线上编译器上运行。

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http://c.yxz.me/
或
http://codepad.org/

运行结果为：

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OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 8 
OFFSET_M(struct_a, c) is 16 
sizeof(struct_a) is 24 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 8 
sizeof(struct_b) is 16

与预期相符：

  • struct_a，成员b在偏移8字节处对齐，a补齐7字节，b后跟c(2个字节)，8 + 8 + 2 = 18 ，整体以成员最大长度8字节对齐，则最后再补齐6字节，结构体共占 24 字节。
  • struct_b，比较好分析，a占2字节（补齐1个），b占6字节（补齐4字节），c占用8字节，共16字节。

对结构外对齐方式验证，代码如下（代码段2）：

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue)     printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct 
{
    char a;
    double b;
    short c;
}struct_a;

typedef struct 
{
    char a;
    struct_a b;
}struct_b;

int main(void)
{
    PRINTF(sizeof(struct_a))

    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
    PRINTF(sizeof(struct_b))
    
    return 0;
}

运行结果如下：

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sizeof(struct_a) is 24 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 8 
sizeof(struct_b) is 32

与预期相符。

改变缺省对齐

现有两种方式改变缺省对齐方式：

  1. 使用伪指令 **#pragma pack (n)，按照n个字节对齐。#pragma pack ()**，取消自定义字节对齐方式。
  2. __attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员以n字节对齐。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。

下面开始验证。修改代码段1为

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue)     printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(2)

typedef struct 
{
    char a;
    double b;
    short c;
}struct_a;

typedef struct 
{
    char a;
    short b;
    double c;
}struct_b;

#pragma pack()

int main(void)
{
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, a))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, b))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_a, c))
    PRINTF(sizeof(struct_a))

    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
    PRINTF(OFFSET_M(struct_b, c))
    PRINTF(sizeof(struct_b))
    
    return 0;
}

通过以上方式，分别改为2、4、8、16字节对齐，运行结果为：

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#2字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 2 
OFFSET_M(struct_a, c) is 10 
sizeof(struct_a) is 12 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 4 
sizeof(struct_b) is 12 

#4字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 4 
OFFSET_M(struct_a, c) is 12 
sizeof(struct_a) is 16 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 4 
sizeof(struct_b) is 12 

#8字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 8 
OFFSET_M(struct_a, c) is 16 
sizeof(struct_a) is 24 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 8 
sizeof(struct_b) is 16 

#16字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 8 
OFFSET_M(struct_a, c) is 16 
sizeof(struct_a) is 24 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0 
OFFSET_M(struct_b, b) is 2 
OFFSET_M(struct_b, c) is 8 
sizeof(struct_b) is 16

分析运行结果，可得以下结论

  • 内部，配置对齐字节与成员缺省对齐字节相比，选择较小的。配置大于内部成员缺省最大对齐字节无意义。
  • 外部（或整体），配置对齐字节与内部成员缺省最大对齐字节，也选择较小的。

GCC编译代码（无自定义对齐）也可得相同结论。

三者同时存在时，也是按照“最小规则”处理。

参考资料

C语言中的数据对齐

C语言的字节对齐及#pragma pack的使用

内存对界