C语言结构体及其内存布局

C语言结构体

1. 结构体的定义
   结构体的定义要使用struct关键字,并以";"结尾。
   下面找个微软定义的结构体:

   typedef struct _FILETIME {
    DWORD dwLowDateTime;
    DWORD dwHighDateTime;
    } FILETIME, *PFILETIME, *LPFILETIME;
   

   可以看出在定义结构体时使用了typedef,为_FILETIME起了一个别名,并定义了指向改结构
   的指针PFILETIME。

2. 结构体变量的初始化与赋值操作

   • 使用初始化列表进行初始化
     例如:

       FILETIME ft = { 88,99 };
     

     还可以使用memset进行清零初始化:

     FILETIME ft
     memset(&ft,0,sizeof(ft));  
     

   • 结构体变量赋值
     C++11标准之前只能在结构体变量初始化的时候可以使用列表进行初始化,
     现在支持C++11标准的编译器可以在任意场合使用列表进行赋值,编译时不会报错.
     例:
     
     C++11标准还可以直接在定义结构体时为每个成员指定初值,例:
     
     但是最后还是不要使用新标准这两个特性,因为在不支持C++11标准的编译器上会报错,

3. 一个空结构体的大小
   一个空结构体的大小为1字节,而不是零字节
   例:
   

4. 计算结构体大小

   • 结构体成员对齐值

   typedef struct tagTest
   {
     char m_chTest;
     int m_nTest;
   }TEST;
   

   上面这个结构体的大小是多少呢？如果你不知道内存对齐,那么很可能认为认为其大小为5字节,
   但其实这个结构体的真实大小可能为5字节,也有可能为6字节,也有可能是8字节.

   结构体的大小与结构体的成员对齐值有关,设置不同的成员对齐值,将使得同一个结构体有不同大小,
   可以在VS的项目->属性->C/C++->代码生成,设置所有的结构体成员对齐值:
   
   VC++编译器共支持1,2,4,8,16这五个对齐值,默认对齐值为8.如果结构体成员对齐值是1,那么表示结构体
   成员不对齐,在这种情况下上面例子中的TEST的大小为5.
   还可以使用/Zp命令来这设置结构体成员对齐值:
   
   但是对齐值必须是1,2,4,8,16,如果指定为其他值编译器编译时会给出警告,并自行选择合理的编译对齐值:
   
   上面这两种设置成员对齐值的方法是设置所有结构体的成员对齐值,但是有时我只想设置单个结构体的成员对齐值,
   那么可以使用编译预处理指令#pragma pack来设置,例如:

     #pragma pack(push,1)
     typedef struct tagTest
     {
       char m_chTest;
       int m_nTest;
     }TEST;
   
     #pragma pack(pop)
   

   #pragma pack(push,1)中的push表示保存当前的结构体成员对齐值,然后将结构体成员对齐值设置1,
   #pragma pack(pop)表示恢复结构体成员对齐值为上次保存的结构体对齐值,那么加载这两条编译预
   处理命令间定义的结构体的成员对齐值全部为1

• 结构体大小计算
  (1)设结构体成员对齐值为ZP
  (2)设结构体当前数据成员对齐值zp=min(当前数据成员类型大小,ZP)
  (3)设结构体自身对齐值stAlign=min(max(数据成员1类型大小,.....数据成员n类型大小),ZP)
  (4)设置结构体某成员距离结构体首地址的偏移为offset
  (5)每个成员的位置偏移(也就是offset)要对zp取余,如果余数不为0,则要调整位置偏移,
  在大于当前偏移值中找一个最小的位置偏移,使之能够对zp取余且余数为0,最后结构体
  的总大小要对stAlign取余,如果余数不为0,采用相同的方法调整结构体大小
  注意:如果结构体中有成员为数组,例如:

       struct tagTest
       {
           char m_ch;
           int  m_nAry[10];
       };
  

      那么m_nAry的数据类型大小为4字节,而不是40字节
  
      如果结构体A中有另一个结构体B作为作为结构体A的数据成员,例如:
  

       #pragma pack(push,8)
       struct B
       {
           char m_ch;
           int  m_nAry[10];
       };
  
       struct A
       {
           B    m_b;
           char m_ch;
           int  m_nAry[10];
       };
       #pragma pack(pop)
  

      那么在结构体A中m_b的对齐值为为结构体B的自身对齐值,也就是4,在计算结构体A  
      的自身对齐值时,并不是将sizeof(m_b)参与计算,而是取结构体B中宽度最大的基本  
      数据类型所占字节参与计算,例如结构体B中宽度最大的基本数据类型为int,也就是  
      4字节,所以结构体A的自身对齐值为min(max(4,1,4),8)=4
  

  例1:

     #pragma pack(push,8)
     typedef struct tagTestA
     {
       char m_chTest;
       int m_nTest;
       float m_fTest;
       char m_chAry[13];
     };
    #pragma pack(pop)
  

  • 结构体成员对齐值为ZP=8,结构体自身对齐值stAlign为:
    min(max(sizeof(char),sizeof(int),sizeof(int),sizeof(float),sizeof(char)),ZP)=4

  • m_chTest的对齐值zp=min(sizeof(char),ZP)=1,m_chTest为结构体第一个成员,所以其相对结
    构体首地址偏移量offset=0,offset对zp取余结果为0,所以无需调整,则下一个成员m_nTest相对
    于结构体首地址的偏移为offset+sizeof(m_chTest)=1

  • m_nTest的对齐值zp=min(sizeof(int),ZP)=4,m_nTest相对首地址的偏移量offset=1,
    offset%zp=1,取余结果不为0,当offset调整为4时,取余结果为0,则下一个成员m_fTest相对于
    结构体首地址的偏移为offset+sizeof(m_nTest)=8

  • m_fTest的对齐值zp=min(sizeof(float),ZP)=4,m_nTest相对首地址的偏移量offset=8,
    offset%zp=0,取余结果为0,无需调整,则下一个成员m_chAry相对于结构体首地址的偏移为
    offset+sizeof(m_fTest)=12

  • m_chAry的对齐值zp=min(sizeof(char),ZP)=1,m_chAry相对首地址的偏移量offset=12,
    offset%zp=0,无需调整,至此结构体tagTestA最后一个成员的偏移计算完毕,结构体大小为
    offset+sizeof(m_chAry)=25, 25%stAlign != 0,所以结构体总大小需要调整,那么大于25且能
    够对4取余为0的最小值为28,所以结构体大小为28,那么下面来验证下计算结果:
    

  测试代码中计算结构体偏移使用了宏函数offsetof,其定义在stddef.h中:

  #if defined(_MSC_VER) && !defined(_CRT_USE_BUILTIN_OFFSETOF)
    #ifdef __cplusplus
      #define offsetof(s,m) ((size_t)&reinterpret_cast<char const volatile&>((((s*)0)->m)))
    #else
      #define offsetof(s,m) ((size_t)&(((s*)0)->m))
    #endif
  #else
    #define offsetof(s,m) __builtin_offsetof(s,m)
  #endif
  

  ((size_t)&(((s*)0)->m)):(s*)0先是将0地址强行解释为s类型的指针,然后(s*)0)->m引用结构体的
  成员m,&(((s*)0)->m))取得成员m的内存地址,因为该指针指向0地址,所
  以强转后就得到成员m相对于结构体首地址的偏移,虽然是指向0地址的指针
  但是并未使用该指针对结构体成员进行赋值和取值操作,所以不会引发崩溃。

例2:

  #pragma pack(push,8)
  typedef struct tagTestA
  {
  char m_chTest;
  int m_nTest;
  float m_fTest;
  char m_chAry[13];
  };
  #pragma pack(pop)


  #pragma pack(push,4)
  struct tagTestB
  {
  double m_dbTest1;
  char   m_chTest2;
  tagTestA m_stA;
  char   m_ch[7];
  };
  #pragma pack(pop)

结构体tagTestB的计算有点复杂,首先它的结构体成员对齐值设置为4,其次,它的一个数据成员为结构体tagTestA类型,下面开始计算:

• 根据例1中的计算结构体tagTestA的自身对齐值为4,tagTestA的的大小为28;
  tagTestB的成员对齐值ZP=4
  tagTestB的自身对齐值stAlign=min(max(sizeof(double),sizeof(char),4,sizeof(char)),ZP)=4

• m_dbTest1为结构体第一个成员,距离结构体的首地址偏移offset=0,m_dbTest1的自身对齐值
  zp=min(sizeof(double),ZP)=4,offset%zp=0,所以无需调整offset,那么下一个成员m_chTest2
  相对于结构体首地址的偏移为offset+sizeof(double)=8

• 根据上一步,m_chTest2距离结构体首地址的偏移offset=8,m_chTest2的自身对齐值
  zp=min(sizeof(char),ZP)=1,offset%zp=0,所以offset无需调整,则下一个数据成员m_stA
  距离结构体首地址的偏移为offset+sizeof(char)=9

• 根据上一步,m_stA距离结构体首地址的偏移offset=9,m_stA的自身对齐值zp=min(4,ZP)=4,
  offset%zp!=0,offset需要调整,将offset调整为12时满足offset%zp=0,则下一个成员m_ch
  距离结构体首地址的偏移为offset+sizeof(m_ch)=40

• 根据上一步,m_ch距离结构体首地址的偏移offset=40,m_ch的自身对齐值为zp=min(sizeof(char),ZP)=1,
  offset%zp=0,所以offset无需调整,则结构体tagTestB的大小为offset+sizeof(m_ch)=47,
  且47%stAlign!=0,所以结构体大小需要调整,当结构体大小为48时,满足要求

  通过以上计算可以得出m_dbTest1的偏移为0,m_chTest2的偏移为8,m_stA的偏移为12,m_ch的偏移为40,
  结构体总大小为48,下面在VS中验证结果:
  

注意事项:

• 以上是VC++编译器根据不同结构体成员对齐值实现内存布局的解析,其他编译器的实现可能有所不同

• 当结构体成员对齐值为1时,表示结构体成员不进行内存对齐,各个成员紧紧相邻,不会有填充字节,
  那么此时结构体大小为sizeof(member1)+..........sizeof(membern)