结构体内存对齐问题

C++内存管理 0 4.6K

结构体内成员按照声明顺序存储，第一个成员地址和整个结构体地址相同。
未特殊说明时，按结构体中size最大的成员对齐（若有double成员，按8字节对齐。）

c++11以后引入两个关键字 alignas与 [alignof]。其中alignof可以计算出类型的对齐方式，alignas可以指定结构体的对齐方式。

但是alignas在某些情况下是不能使用的，具体见下面的例子:

// alignas 生效的情况

struct Info {
  uint8_t a;
  uint16_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info) << std::endl;   // 6  2 + 2 + 2
std::cout << alignof(Info) << std::endl;  // 2

struct alignas(4) Info2 {
  uint8_t a;
  uint16_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info2) << std::endl;   // 8  4 + 4
std::cout << alignof(Info2) << std::endl;  // 4

alignas将内存对齐调整为4个字节。所以sizeof(Info2)的值变为了8。

// alignas 失效的情况

struct Info {
  uint8_t a;
  uint32_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info) << std::endl;   // 12  4 + 4 + 4
std::cout << alignof(Info) << std::endl;  // 4

struct alignas(2) Info2 {
  uint8_t a;
  uint32_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info2) << std::endl;   // 12  4 + 4 + 4
std::cout << alignof(Info2) << std::endl;  // 4

若alignas小于自然对齐的最小单位，则被忽略。

如果想使用单字节对齐的方式，使用alignas是无效的。应该使用#pragma pack(push,1)或者使用__attribute__((packed))。

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #define ONEBYTE_ALIGN __attribute__((packed))
#elif defined(_MSC_VER)
  #define ONEBYTE_ALIGN
  #pragma pack(push,1)
#endif

struct Info {
  uint8_t a;
  uint32_t b;
  uint8_t c;
} ONEBYTE_ALIGN;

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #undef ONEBYTE_ALIGN
#elif defined(_MSC_VER)
  #pragma pack(pop)
  #undef ONEBYTE_ALIGN
#endif

std::cout << sizeof(Info) << std::endl;   // 6 1 + 4 + 1
std::cout << alignof(Info) << std::endl;  // 6

确定结构体中每个元素大小可以通过下面这种方法:

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #define ONEBYTE_ALIGN __attribute__((packed))
#elif defined(_MSC_VER)
  #define ONEBYTE_ALIGN
  #pragma pack(push,1)
#endif

/**
* 0 1   3     6   8 9            15
* +-+---+-----+---+-+-------------+
* | |   |     |   | |             |
* |a| b |  c  | d |e|     pad     |
* | |   |     |   | |             |
* +-+---+-----+---+-+-------------+
*/
struct Info {
  uint16_t a : 1;
  uint16_t b : 2;
  uint16_t c : 3;
  uint16_t d : 2;
  uint16_t e : 1;
  uint16_t pad : 7;
} ONEBYTE_ALIGN;

#if defined(__GNUC__) || defined(__GNUG__)
  #undef ONEBYTE_ALIGN
#elif defined(_MSC_VER)
  #pragma pack(pop)
  #undef ONEBYTE_ALIGN
#endif

std::cout << sizeof(Info) << std::endl;   // 2
std::cout << alignof(Info) << std::endl;  // 1

这种处理方式是alignas处理不了的。

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