为什么offsetof（成员）等于sizeof（结构体）？

Question

我有一个定义如下的结构体:

struct smth
{
    char a;
    int b[];
};

当我在这个结构体上调用sizeof和offsetof：

cout << sizeof(struct smth) << endl;
cout << offsetof(struct smth, b) << endl;

输出结果为:

4
4

当结构体的大小为4且char使用1个字节时，为什么int数组的偏移量是4？为什么会有某种填充？另外，为什么int数组根本不占用任何空间？

- bugra

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你是指 offsetof(struct smth, b)，对吧？ - Carl Norum

@CarlNorum 是的，我有。已编辑。 - bugra

它是C还是C++？它们是不同的。 - Yu Hao

@YuHao 我特别询问的是关于C++的问题，但我添加了C标签，以便人们也可以通过该标签找到它。就这个问题的答案而言，它们有什么不同之处？ - bugra

@biox6 你应该只使用相关的标签来标记问题。虽然C和C++在许多领域中相似，但它们在更多方面上是不同的。例如，在这个问题中，可变长度数组只在C中有效，而不是C++。 - Yu Hao

@biox6 把它变成 b[1]; 看看有什么不同。 - user2249683

Answer 1

当结构体的大小为4且char使用1字节时，为什么int数组的偏移量是4？这是因为C标准允许填充；编译器通常对变量进行对齐以提高性能。

此外，为什么第二个变量根本不占用任何空间（似乎是这种情况）？这是一个C99灵活数组成员——这就是它的全部意义。其想法是像这样分配结构体：

struct smth *s = malloc(sizeof *s + 10 * sizeof s->b[0]);

然后您将拥有一个结构，其操作方式就像 b 是一个10元素数组一样。

- Carl Norum

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这会带来什么样的性能提升？只是好奇。 - bugra

@biox6，一些处理器的指令加载只能从字对齐地址加载字。如果您有一个不对齐地址的字，您需要分别加载每个字节并重新组合。 - Carl Norum

你的分配语句没有考虑对齐约束。通常情况下，它将无法正确分配内存。相反，你应该使用 struct smth *s = malloc(offsetof(struct smth, b[10])); 分配一个适当大小的结构体。 - IInspectable

@IInspectable，怎么了？ malloc需要返回安全对齐的指针，并且结构正确布局。有什么区别吗？ - Carl Norum

可能是 10 * sizeof s->b[0]。 - 6502

抱歉，我的大脑有点迟钝。我想到了完全不同的东西。考虑它作为计算大小的 替代 方式，而不是 更正 。结构体中的末尾零大小数组确保适当的对齐。 - IInspectable

Answer 2

因为成员变量b的大小为零，编译器在a和b成员之间添加填充以使b位于“字”边界上。

然而，如果我记得正确，像这样在结构体中拥有一个灵活数组只在C语言中有效，而在C++中只能作为编译器扩展。

- Some programmer dude

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int b[]和int *b是等价的吗？ - Light

不是这样的。int* b 会使 sizeof(smth) 变大，额外的空间将用于存储某个整数变量的地址。相反，int b[] 表示该结构应动态分配一些（在编译时未知的）整数作为单个内存块。 - mity

@mity，你如何给变量b赋值？能否给我一个赋值语句？ - Light

@Light 请查看Carl Norum的答案。 - Some programmer dude

@Light：假设有struct smth *s = malloc(sizeof(*s) + 10*sizeof(*s->b));，你可以编写s->a = 'c'; s->b[0] = 0; s->b[9] = 9;等代码。 - Jonathan Leffler

Answer 3

鉴于OP提到问题是关于C++的：

struct smth
{
    char a;
    int b[];
};

在C++中，像b[]这样的数组是无效的。数组必须具有固定的大小。变长数组仅在C99中有效。

假设您的编译器支持它作为扩展，那么数组b[]的大小为零，这使得结构体仅包含一个char成员。然后，struct中填充规则起作用，将struct填充到一个字（word）的大小，即4个字节在您的机器上。

- Yu Hao