Visual C++中的结构对齐

Question

Visual C++提供编译器开关（/Zp）和pack预处理指令来影响结构体成员的对齐方式。然而，我好像对它们的工作原理存在一些误解。

根据MSDN的说法，对于给定的对齐值n，

成员的对齐将在是n的倍数或成员大小的倍数中较小的一个上。

假设pack值为8字节（这是默认值），在结构体内，我认为任何大小小于8字节的成员都将位于其自身大小的倍数偏移量上。任何大小大于等于8字节的成员都将位于8字节的倍数偏移量上。

现在看下面的程序：

#include <tchar.h>

#pragma pack(8)

struct Foo {
    int i1;
    int i2;
    char c;
};

struct Bar {
    char c;
    Foo foo;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {
    int fooSize = sizeof(Foo); // yields 12
    Bar bar;
    int fooOffset = ((int) &bar.foo) - ((int) &bar); // yields 4

    return 0;
}

“Foo”结构体的大小为12个字节。因此，在“Bar”中，我希望“Foo”成员在偏移量8处（8的倍数），但实际上它位于偏移量4处。为什么会这样？

另外，“Foo”只有4+4+1=9个字节的数据。编译器会自动添加填充字节到结尾。但是，考虑到8字节对齐值，难道不应该填充到8的倍数而不是4吗？

任何澄清都将不胜感激！

- Daniel Wolf

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你确定你的 int 只有4个字节吗？你在哪台机器上运行这个程序？ - Tony The Lion

@Tony：这是一个32位应用程序。如果int不是4个字节而是8个字节，那么有两个这样的东西的Foo就不能只有12个字节了。 :-) - Daniel Wolf

Answer 1

你的摘录解释了这个问题，“取两者中较小的值”。在32位平台上，一个int占用4字节。4比8要小。因此它有4字节的对齐。 pack编译指示会导致数据被打包，而不是解包。只有在需要时才会填充。

- David Schwartz

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等一下。我有一个包含Foo成员的Bar结构体。因此我认为“成员的大小”是指Foo的大小，即12个字节。你是在说编译器实际上会/递归地/查找原始类型中最大的成员吗？如果是这样，那么有没有一些（在线）参考资料可以解释这种行为？ - Daniel Wolf

编译器知道每种类型的对齐要求。Foo 的对齐需求是4。它不是最大的类型，但外部结构的要求通常是任何包含类型中最大的对齐要求，但并不总是如此。（它不能是完整类型的大小。否则，一个整数后面跟着一个9,000字节的结构将有近9000字节的填充。这很荒谬。MSDN 页面讨论的是对齐要求等于其大小的简单类型。） - David Schwartz

谢谢，这可以解释这种行为。关于你的论点，即它不能是完整的结构体大小：我认为这正是“较小者”规则的原因。你的 9,000 字节结构体，由于比 8 字节大，将被对齐到 8 的倍数，从而只浪费 4 字节而不是 8,996 字节。所以对我来说，MSDN 算法实际上是有意义的。可惜它似乎只是真相的一半！ - Daniel Wolf

哦，我明白了。是的，这很有道理。但是没有必要把结构填充到比它的对齐要求更大的尺寸，因此编译器不会这样做，除非明确告知要进行填充。 - David Schwartz

Answer 2

记住为什么对齐在首位很重要。它的存在是为了让CPU快速读取内存而不必复用字节。 CPU从未一次性读取结构体，它只访问其成员。因此，Foo结构的大小为12字节是无关紧要的，只有其成员的对齐方式才重要。鉴于没有Foo成员需要大于4的对齐要求，因此Bar.foo成员只需对齐到4即可。

Foo大小为12字节而不是9字节也需要解释。编译器在结尾处添加3个字节的填充，以使Foo数组的每个元素的成员都正确对齐。

- Hans Passant

Answer 3

正如您的引用所说 - 要测试8字节对齐，您需要8个或更多字节的数据类型。这是一个带有一些明确大小类型的示例。另外，将小元素放在结构体末尾不会显示填充，因为它可以从结构体末尾删除。

#include <stdio.h>
int
main(int argc, char *argv[])
{
    struct S {
        __int64 a;
        __int8  b;
        __int64 c;
    };
#pragma pack(push,1)
    struct T {
        __int64 a;
        __int8  b;
        __int64 c;
    };
#pragma pack(pop)
#pragma pack(push,8)
    struct U {
        __int64 a;
        __int8  b;
        __int64 c;
    };
    struct B {
        __int8 c;
        struct U s;
    };
#pragma pack(pop)

    printf("S %d T %d U %d B %d\n",
           sizeof(struct S), sizeof(struct T),
           sizeof(struct U), sizeof(struct B));
    return 0;
}

使用VC 2010编译此代码：

C:\src>cl -nologo -W3 -Od packing.c && packing.exe
packing.c
S 24 T 17 U 24 B 32

- patthoyts