C++结构体内存对齐规则

背景介绍

最近在使用Java语言写一个Java客户端，对接一个C/C++语言编写的Server时，采用TCP协议进行通信，在将C++结构体序列化的输出流转换为Java结构体时，需要按照结构体每个字段对应的字节长度截取字节流转换为Java类型，遇到了内存对齐的问题，在此总结一下。

内存对齐概念

什么是内存对齐

用一个例子带出这个问题，看下面的一段代码，理论上，32位系统下，int占4byte，char占一个byte，那么将它们放到一个结构体中应该占4+1=5byte；
但是实际上，通过运行程序得到的结果是8 byte，这就是内存对齐所导致的。

//32位系统
#include<stdio.h>
struct{int x;char y;
} s;int main()
{printf("%d\n",sizeof(s);  // 输出8return 0;
}

字节长度计算：sizeof函数

现代计算机中内存空间都是按照 byte 划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但是实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k（通常它为4或8）的倍数，这就是所谓的内存对齐。

为什么要进行内存对齐

尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的。它一般会以双字节，四字节，8字节，16字节甚至32字节为单位来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度。

现在考虑4字节存取粒度的处理器取int类型变量（32位系统），该处理器只能从地址为4的倍数的内存开始读取数据。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的连续四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块，剔除不想要的字节（0地址），然后从地址4开始读取下一个4字节块，同样剔除不要的数据（5，6，7地址），最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。
在这里插入图片描述
现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

总结如下：

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于：为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。所以内存对齐能够提高访问效率。
总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

内存对齐规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”（也叫对齐模数）。gcc中默认#pragma pack(4)，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。

有效对齐值：是给定值#pragma pack(n)和结构体中最长数据类型长度中较小的那个。有效对齐值也叫对齐单位。

了解了上面的概念后，我们现在可以来看看内存对齐需要遵循的规则：

(1) 结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。

(2) 结构体的总大小为 有效对齐值 的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

下面给出几个例子以便于理解：

//32位系统
#include<stdio.h>
struct
{int i;    char c1;  char c2;  
}x1;struct{char c1;  int i;    char c2;  
}x2;struct{char c1;  char c2; int i;    
}x3;int main()
{printf("%d\n", sizeof(x1));  // 输出8printf("%d\n", sizeof(x2));  // 输出12printf("%d\n", sizeof(x3));  // 输出8return 0;
}

以上测试都是在Linux环境下进行的，Linux下默认#pragma pack(4)，且结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节，下面根据上面所说的规则以s2来分析其内存布局：

首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

s2中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

根据上面的分析，不难得出上面例子三个结构体的内存布局如下：
在这里插入图片描述

#pragma pack(n)

不同平台上编译器的 pragma pack 默认值不同。而我们可以通过预编译命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16来改变对齐系数。

例如，对于上个例子的三个结构体，如果前面加上#pragma pack(1)，那么此时有效对齐值为1字节，此时根据对齐规则，不难看出成员是连续存放的，三个结构体的大小都是6字节。
在这里插入图片描述
如果前面加上#pragma pack(2)，有效对齐值为2字节，此时根据对齐规则，三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下：

经过上面的实例分析，大家应该对内存对齐有了全面的认识和了解，在以后的编码中定义结构体时需要考虑成员变量定义的先后顺序了。

结构体偏移量

下面给大家介绍一个宏叫做offsetof，它可以用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

其语法如下：

size_t offsetof(type, member)

其中，type是结构体的类型，member是结构体中的成员名。
offsetof返回一个 size_t 类型的值，表示指定成员在结构体中的偏移量。偏移量是指该成员相对于结构体起始地址的字节偏移量。

使用示例：

#include<iostream>
#include<string>
#include<stddef.h>
using namespace std;#pragma pack(8) //修改默认对齐数为8struct A {char a;  char b;double c;
};struct B {char a;double b;char c;
};int main() {cout << "结构体A的大小:" << sizeof(A) << " a偏移-" <<offsetof(A, a) << " b偏移-" << offsetof(A, b) << " c偏移-" << offsetof(A, c) << endl;cout << "结构体B的大小:" << sizeof(B) << " a偏移-" <<offsetof(B, a) << " b偏移-" << offsetof(B, b) << " c偏移-" << offsetof(B, c) << endl;system("pause");
}

运行结果如下：

结构体A的大小:16 a偏移-0 b偏移-1 c偏移-8
结构体B的大小:24 a偏移-0 b偏移-8 c偏移-16

设计结构体的技巧

在了解了结构体的对齐规则之后，有没有一种方法能让我们在设计结构体的时候既满足对齐规则，又能尽量的节省空间呢？其实是有的，方法就是：让占用空间小的成员尽量集中在一起。就像的习题，我们把占用空间下的 a 和 b 放在一起，从而使得 struct A 比 struct B 小了8个字节。

填充字节规则

在C++中，当结构体（或类）的成员变量在内存中进行对齐时，为了满足特定的对齐要求，编译器可能会在成员之间或结构体/类的末尾插入填充字节（padding bytes）。这些填充字节的值并不是由C++标准指定的，也就是说，它们可以是任何值，这取决于具体的编译器实现和运行时环境。

在大多数情况下，这些填充字节的内容是未定义的，也就是说，你不能假设它们有任何特定的值。在某些情况下，这些字节可能包含垃圾值（即它们可能包含任何随机数据），在其他情况下，它们可能已经被其他代码段写入了不同的值。

因此，你不应该依赖这些填充字节的值来编写你的代码。如果你需要特定的内存布局或值，你应该显式地初始化它们，或者使用特定的编译器选项或属性来控制对齐和填充行为（尽管这可能会降低代码的可移植性）。

例如，在GCC和Clang中，你可以使用__attribute__((packed))来告诉编译器不要插入任何填充字节，但这可能会降低数据访问的效率，因为某些平台可能无法高效地访问未对齐的内存。同样，你也可以使用其他编译器特定的属性来控制对齐行为。但是，请注意，这些属性并不是C++标准的一部分，因此它们可能不适用于所有编译器或平台。