結(jié)構(gòu)體的sizeof

這是初學(xué)者問(wèn)得最多的一個(gè)問(wèn)題，所以這里有必要多費(fèi)點(diǎn)筆墨。讓我們先看一個(gè)結(jié)構(gòu)體：
struct S1
{
  char c;
  int i;
};

問(wèn)sizeof(s1)等于多少？聰明的你開(kāi)始思考了，char占1個(gè)字節(jié)，int占4個(gè)字節(jié)，那么加起來(lái)就應(yīng)該是5。是這樣嗎？你在你機(jī)器上試過(guò)了嗎？也許你是對(duì)的，但很可能你是錯(cuò)的！VC6中按默認(rèn)設(shè)置得到的結(jié)果為8。

Why？為什么受傷的總是我？

請(qǐng)不要沮喪，我們來(lái)好好琢磨一下sizeof的定義——sizeof的結(jié)果等于對(duì)象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，好吧，那就讓我們來(lái)看看S1的內(nèi)存分配情況：
S1 s1 = { 'a', 0xFFFFFFFF };

定義上面的變量后，加上斷點(diǎn)，運(yùn)行程序，觀察s1所在的內(nèi)存，你發(fā)現(xiàn)了什么？

以我的VC6.0為例，s1的地址為0x0012FF78，其數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：
0012FF78: 61 CC CC CC FF FF FF FF

發(fā)現(xiàn)了什么？怎么中間夾雜了3個(gè)字節(jié)的CC？看看MSDN上的說(shuō)明：
When applied to a structure type or variable, sizeof returns the actual size, which may include padding bytes inserted for alignment.

原來(lái)如此，這就是傳說(shuō)中的字節(jié)對(duì)齊??！一個(gè)重要的話題出現(xiàn)了。

為什么需要字節(jié)對(duì)齊？計(jì)算機(jī)組成原理教導(dǎo)我們這樣有助于加快計(jì)算機(jī)的取數(shù)速度，否則就得多花指令周期了。為此，編譯器默認(rèn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行處理（實(shí)際上其它地方的數(shù)據(jù)變量也是如此），讓寬度為2的基本數(shù)據(jù)類型（short等）都位于能被2整除的地址上，讓寬度為4的基本數(shù)據(jù)類型（int等）都位于能被 4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個(gè)數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié)，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長(zhǎng)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(jié)果為多少，怎么還是8？再看看內(nèi)存，原來(lái)成員c后面仍然有3個(gè)填充字節(jié)，這又是為什么??？別著急，下面總結(jié)規(guī)律。

字節(jié)對(duì)齊的細(xì)節(jié)和編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān)，但一般而言，滿足三個(gè)準(zhǔn)則：
1) 結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；
2) 結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)（internal adding）；
3) 結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)（trailing padding）。

對(duì)于上面的準(zhǔn)則，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明：

1) 前面不是說(shuō)結(jié)構(gòu)體成員的地址是其大小的整數(shù)倍，怎么又說(shuō)到偏移量了呢？因?yàn)橛辛说?點(diǎn)存在，所以我們就可以只考慮成員的偏移量，這樣思考起來(lái)簡(jiǎn)單。想想為什么。
結(jié)構(gòu)體某個(gè)成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量可以通過(guò)宏offsetof()來(lái)獲得，這個(gè)宏也在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等于4

2) 基本類型是指前面提到的像char、short、int、float、double這樣的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，這里所說(shuō)的“數(shù)據(jù)寬度”就是指其sizeof的大小。由于結(jié)構(gòu)體的成員可以是復(fù)合類型，比如另外一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所以在尋找最寬基本類型成員時(shí)，應(yīng)當(dāng)包括復(fù)合類型成員的子成員，而不是把復(fù)合成員看成是一個(gè)整體。但在確定復(fù)合類型成員的偏移位置時(shí)則是將復(fù)合類型作為整體看待。

這里敘述起來(lái)有點(diǎn)拗口，思考起來(lái)也有點(diǎn)撓頭，還是讓我們看看例子吧（具體數(shù)值仍以VC6為例，以后不再說(shuō)明）：
struct S3
{
  char c1;
  S1 s;
  char c2
};

S1的最寬基本成員的類型為int，S3在考慮最寬基本類型成員時(shí)是將S1“打散”看的，所以S3的最寬基本類型為int，這樣，通過(guò)S3定義的變量，其存儲(chǔ)空間首地址需要被4整除，整個(gè)sizeof(S3)的值也應(yīng)該被4整除。

c1的偏移量為0，s的偏移量呢？這時(shí)s是一個(gè)整體，它作為結(jié)構(gòu)體變量也滿足前面三個(gè)準(zhǔn)則，所以其大小為8，偏移量為4，c1與s之間便需要3個(gè)填充字節(jié)，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(bǔ)上3個(gè)填充字節(jié)。最后得到 sizeof(S3)的值為16。

通過(guò)上面的敘述，我們可以得到一個(gè)公式：
結(jié)構(gòu)體的大小等于最后一個(gè)成員的偏移量加上其大小再加上末尾的填充字節(jié)數(shù)目，即：
sizeof( struct ) = offsetof( last item ) + sizeof( last item ) + sizeof( trailing padding )

到這里，朋友們應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)體的sizeof有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，但不要高興得太早，有一個(gè)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(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)體對(duì)齊方式的，不同編譯器名稱和用法略有不同，VC6中通過(guò)#pragma pack實(shí)現(xiàn)，也可以直接修改/Zp編譯開(kāi)關(guān)。#pragma pack的基本用法為：#pragma pack( n )，n為字節(jié)對(duì)齊數(shù)，其取值為1、2、4、8、16，默認(rèn)是8，如果這個(gè)值比結(jié)構(gòu)體成員的sizeof值小，那么該成員的偏移量應(yīng)該以此值為準(zhǔn)，即是說(shuō)，結(jié)構(gòu)體成員的偏移量應(yīng)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(dāng)前pack設(shè)置壓棧保存
#pragma pack(2) // 必須在結(jié)構(gòu)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(fù)先前的pack設(shè)置

計(jì)算sizeof(S1)時(shí)，min(2, sizeof(i))的值為2，所以i的偏移量為2，加上sizeof(i)等于6，能夠被2整除，所以整個(gè)S1的大小為6。

同樣，對(duì)于sizeof(S3)，s的偏移量為2，c2的偏移量為8，加上sizeof(c2)等于9，不能被2整除，添加一個(gè)填充字節(jié)，所以sizeof(S3)等于10。

現(xiàn)在，朋友們可以輕松的出一口氣了，:)

還有一點(diǎn)要注意，“空結(jié)構(gòu)體”（不含數(shù)據(jù)成員）的大小不為0，而是1。試想一個(gè)“不占空間”的變量如何被取地址、兩個(gè)不同的“空結(jié)構(gòu)體”變量又如何得以區(qū)分呢？于是，“空結(jié)構(gòu)體”變量也得被存儲(chǔ)，這樣編譯器也就只能為其分配一個(gè)字節(jié)的空間用于占位了。如下：
struct S5 { };
sizeof( S5 ); // 結(jié)果為1

8. 含位域結(jié)構(gòu)體的sizeof

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，位域成員不能單獨(dú)被取sizeof值，我們這里要討論的是含有位域的結(jié)構(gòu)體的sizeof，只是考慮到其特殊性而將其專門列了出來(lái)。

C99規(guī)定int、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對(duì)此作了擴(kuò)展，允許其它類型類型的存在。

使用位域的主要目的是壓縮存儲(chǔ)，其大致規(guī)則為：
1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則后面的字段將緊鄰前一個(gè)字段存儲(chǔ)，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則后面的字段將從新的存儲(chǔ)單元開(kāi)始，其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實(shí)現(xiàn)有差異，VC6采取不壓縮方式，Dev-C++采取壓縮方式；
4) 如果位域字段之間穿插著非位域字段，則不進(jìn)行壓縮；
5) 整個(gè)結(jié)構(gòu)體的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍。

還是讓我們來(lái)看看例子。

示例1：
struct BF1
{
  char f1 : 3;
  char f2 : 4;
  char f3 : 5;
};

其內(nèi)存布局為：
| f1 | f2 | | f3 | |
---------------------------------
| | | | | | | | | | | | | | | | |
---------------------------------
0 3 7 8 13 16 (byte)

位域類型為char，第1個(gè)字節(jié)僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個(gè)字節(jié)中，而f3只能從下一個(gè)字節(jié)開(kāi)始。因此sizeof(BF1)的結(jié)果為2。
示例2：
struct BF2
{
  char f1 : 3;
  short f2 : 4;
  char f3 : 5;
};

由于相鄰位域類型不同，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;
};

非位域字段穿插在其中，不會(huì)產(chǎn)生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。

9. 聯(lián)合體的sizeof

結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存組織上是順序式的，聯(lián)合體則是重疊式，各成員共享一段內(nèi)存，所以整個(gè)聯(lián)合體的sizeof也就是每個(gè)成員sizeof的最大值。結(jié)構(gòu)體的成員也可以是復(fù)合類型，這里，復(fù)合類型成員是被作為整體考慮的。

所以，下面例子中，U的sizeof值等于sizeof(s)。
union U
{
  int i;
  char c;
  S1 s;
};