C语言结构体中的sizeof()和对齐方式:

Question

前言： 我对结构体对齐做了研究。看过this这个问题，this还有this这个问题——但是仍然没有找到我的答案。

我的实际问题：

这里是我创建的代码片段，以澄清我的问题：

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>

struct IntAndCharStruct
{
    int a;
    char b;
};

struct IntAndDoubleStruct
{
    int a;
    double d;
};

struct IntFloatAndDoubleStruct
{
    int a;
    float c;
    double d;
};

int main()
{
    printf("Int: %d\n", sizeof(int));
    printf("Float: %d\n", sizeof(float));
    printf("Char: %d\n", sizeof(char));
    printf("Double: %d\n", sizeof(double));
    printf("IntAndCharStruct: %d\n", sizeof(IntAndCharStruct));
    printf("IntAndDoubleStruct: %d\n", sizeof(IntAndDoubleStruct));
    printf("IntFloatAndDoubleStruct: %d\n", sizeof(IntFloatAndDoubleStruct));
    getchar();
}

它的输出是：

Int: 4
Float: 4
Char: 1
Double: 8
IntAndCharStruct: 8
IntAndDoubleStruct: 16
IntFloatAndDoubleStruct: 16

我理解了IntAndCharStruct和IntAndDoubleStruct的对齐方式，但是我不理解IntFloatAndDoubleStruct的对齐方式。

简单来说：为什么sizeof(IntFloatAndDoubleStruct) != 24？

谢谢！ P.S：我在使用标准控制台应用程序，Visual-Studio 2017。 编辑： 根据评论，测试了IntDoubleAndFloatStruct（元素排序不同），并在sizeof()中得到24，如果答案也能注意并解释这种情况，那将是很好的。

- MordechayS

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交换float和double的顺序，就应该得到24。 - Gerhardh

你为什么期望得到24？如果没有使用double，你对int和float的期望是什么？ - Gerhardh

@Gerhardh - 调换了顺序，确实得到了 24！至于我的期望，我希望对齐到最大的元素-所以 8 字节 * 3 元素= 24。int 和 float 大小相同（4），所以 8 在我看来没问题。 - MordechayS

我喜欢你研究的链接列表，而不是像其他问题那样只写“我读了所有东西”。干得好。 - Yunnosch

sizeof()的正确格式说明符是 "%zu"。 - Andrew Henle

Answer 1

在您的平台上，以下内容适用： int 和 float 的大小均为4。 double 的大小和对齐要求为8。

我们从您展示的sizeof输出中得知这一点。sizeof（T）给出了类型为T的两个连续元素地址之间的字节数。因此，我们知道对齐要求如上所述。（注）

现在，编译器报告IntFloatAndDoubleStruct的大小为16。它是否可行？

假设我们有一个地址对齐到16的对象。

- 因此，int a位于地址X，对齐到16，因此对于int来说很好。它将占用字节[X，X+4） - 这意味着float c可以从X + 4开始，对于float来说，这是对的。它将占用字节[X + 4，X + 8） - 最后，double d可以从X + 8开始，对于double来说，这是对的。它将占用字节[X + 8，X + 16） - 这样，剩下的X + 16就可以免费提供给下一个结构体对象，再次对齐到16。

因此，没有理由将成员中的任何一个后移，因此整个结构体可以很好地适配到16字节。

（注）这不是严格正确的：对于每个类型，我们都知道大小和对齐方式<= N，其中N是对齐要求的倍数，并且不存在N1 < N，也满足这一点。但是，这是非常微小的细节，为了清晰起见，答案仅假定原始类型的实际大小和对齐要求是相同的，在OP的平台上这是最可能的情况。

- Angew is no longer proud of SO

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但是编译器不是将所有元素都对齐到相同的大小（8）吗？我以为'int'也应该对齐到8！ - MordechayS

@MordechayS 为什么会这样呢？sizeof 实际上告诉你对齐要求。我已经详细解释了答案。 - Angew is no longer proud of SO

@Angew sizeof 只告诉原始类型的对齐要求。 - Tyker

@Angew: sizeof 不能告诉你对齐要求。一个处理器可能有8字节的 double 对象，但只需要它们是4字节对齐的。这可能发生是因为处理器只能访问4字节的内存，所以它需要使用两个访问来加载/存储双精度浮点数，无论其地址是0模8还是4模8，因此它不关心哪个是真实的。对象的对齐要求由 _Alignof 运算符报告。 - Eric Postpischil

@EricPostpischil 好的，这就是为什么我在评论中加上了“有效地”这个限定词。问题的表面水平是否值得如此精细的解答还有待商榷，但我已经在答案中添加了一个脚注。 - Angew is no longer proud of SO

Answer 2

您的结构体必须有 8*N 个字节，因为它包含一个 8 字节（double）的成员。这意味着结构体在内存中的地址（A）是 8 的倍数 (A%8 == 0)，它的结束地址将是 (A+8N)，也是 8 的倍数。

接下来，您存储了两个 4 字节变量（int + float），这意味着您现在占用了内存区域 [A，A+8)。现在，您存储了一个 8 字节变量（double）。由于 (A+8) % 8 == 0（因为 A%8 == 0），所以不需要填充。因此，没有填充，总共使用了 4+4+8 == 16 字节。

如果您更改顺序为 int -> double -> float，则将使用 24 个字节，因为 double 变量原始地址不是 8 的倍数，因此它必须填充 4 个字节才能获得有效地址（并且结构体末尾还会有填充）。

|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|
|   each ||   cell ||  here  ||represen||-ts  4  || bytes  ||        ||        |
|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|

A        A+4       A+8      A+12      A+16      A+20      A+24                      [addresses]
|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|    
|   int  ||  float || double || double ||        ||        ||        ||        |    [content - basic case]
|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|

first padding to ensure the double sits on address that is divisble by 8
last  padding to ensure the struct size is divisble by the largest member's size (8)
|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|    
|   int  || padding|| double || double || float  || padding||        ||        |    [content - change order case]
|--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------||--------|

- CIsForCookies

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首先，我刚看完您的回答并学到了很多，非常感谢！但是，我仍然有一个问题：在“基本情况”中，为什么我们不需要浮点元素从可除以结构体最大元素（8）的地址开始？ - MordechayS

你能更详细地解释一下结构体与元素对齐的区别吗？ - MordechayS

让我澄清一下：如果对齐用于性能/简化-为什么我们允许将元素放在非8因子位置？（例如基本情况中的浮点元素） - MordechayS

1. 性能/简单性和内存使用之间存在权衡。为了简单起见，我们可以仅允许8字节对齐浮点数，但这将增加成本。
2. 至于为什么-不确定。可以推测这被认为是在内存中打包结构的正确方法-您将其切成块以适应最大类型（8字节），每个块您尽可能填充（2个4字节/ 1个4字节+ 4填充等）。

- CIsForCookies

你可能想要编辑你的问题评论，希望其他人会有更好的答案。 - CIsForCookies

Answer 3

编译器将插入填充以保证每个元素的偏移量是其大小的某个倍数。

在这种情况下，int 将位于偏移量=0（相对于结构实例的地址），float 位于偏移量=4，double 位于偏移量=8，因为 int 和 float 的大小加起来等于 8。

末尾没有填充 - 结构的大小已经是 16，这是 double 大小的倍数。

- joe_chip

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处理器并不总是要求对象位于其大小的倍数地址上。在 OP 所问的特定情况下似乎成立，但处理器可能具有只需要四字节对齐的八字节“double”对象，或者可能具有需要 16 字节对齐的十字节对象。 - Eric Postpischil

@EricPostpischil：当然。还有另一种可能性：不需要对齐，但是推荐使用对齐访问。例如，假设OP的目标是x86/64，当地址未对齐时，用于加载double的MOVSD指令会更加昂贵-但仍然可行。 - joe_chip