为什么sizeof运算符返回的结构大小大于结构成员的总大小?


当前回答

结构的尺寸大于其部件的总和,这是因为所谓的填充。一个特定的处理器有一个首选的数据大小。大多数现代处理器的首选大小为32位(4字节)。当数据位于这种边界上时,访问内存比跨越这种大小边界的东西更有效。

例如考虑简单的结构:

struct myStruct
{
   int a;
   char b;
   int c;
} data;

如果机器是32位机器,并且数据在32位边界上对齐,我们会看到一个直接的问题(假设没有结构对齐)。在此示例中,让我们假设结构数据从地址1024开始(0x400-请注意,最低2位为零,因此数据与32位边界对齐)。对data.a的访问将正常工作,因为它从边界0x400开始。对data.b的访问也会很好,因为它位于地址0x404——另一个32位边界。但未对齐的结构将把data.c放在地址0x405。数据.c的4个字节位于0x405、0x406、0x407、0x408。在32位机器上,系统将在一个内存周期内读取data.c,但只能获得4个字节中的3个字节(第4个字节位于下一个边界)。因此,系统必须进行第二次内存访问以获得第四个字节,

现在,如果编译器不将data.c放在地址0x405,而是将结构填充3字节,并将data.c放到地址0x408,那么系统只需要1个周期就可以读取数据,从而将对该数据元素的访问时间减少50%。填充以内存效率换取处理效率。考虑到计算机可以拥有大量的内存(许多千兆字节),编译器认为这种交换(速度与大小)是合理的。

不幸的是,当您试图通过网络发送结构,甚至将二进制数据写入二进制文件时,这个问题就成了一个杀手。在结构或类的元素之间插入的填充会破坏发送到文件或网络的数据。为了编写可移植的代码(一个将被几个不同的编译器使用),您可能必须分别访问结构的每个元素,以确保正确的“打包”。

另一方面,不同的编译器有不同的能力来管理数据结构打包。例如,在Visual C/C++中,编译器支持#pragma pack命令。这将允许您调整数据打包和对齐。

例如:

#pragma pack 1
struct MyStruct
{
    int a;
    char b;
    int c;
    short d;
} myData;

I = sizeof(myData);

我现在的长度应该是11。如果没有pragma,我可以从11到14(对于某些系统,可以多达32),这取决于编译器的默认打包。

其他回答

这是因为添加了填充以满足对齐约束。数据结构对齐会影响程序的性能和正确性:

未对齐的访问可能是一个硬错误(通常是SIGBUS)。未对齐的访问可能是软错误。要么在硬件中进行了纠正,以适度降低性能。或通过软件仿真进行纠正,以严重降低性能。此外,原子性和其他并发性保证可能会被破坏,从而导致微妙的错误。

下面是一个使用x86处理器典型设置的示例(均使用32位和64位模式):

struct X
{
    short s; /* 2 bytes */
             /* 2 padding bytes */
    int   i; /* 4 bytes */
    char  c; /* 1 byte */
             /* 3 padding bytes */
};

struct Y
{
    int   i; /* 4 bytes */
    char  c; /* 1 byte */
             /* 1 padding byte */
    short s; /* 2 bytes */
};

struct Z
{
    int   i; /* 4 bytes */
    short s; /* 2 bytes */
    char  c; /* 1 byte */
             /* 1 padding byte */
};

const int sizeX = sizeof(struct X); /* = 12 */
const int sizeY = sizeof(struct Y); /* = 8 */
const int sizeZ = sizeof(struct Z); /* = 8 */

可以通过对齐对成员进行排序来最小化结构的大小(按大小排序足以满足基本类型的排序)(如上面示例中的结构Z)。

重要提示:C和C++标准都规定结构对齐是由实现定义的。因此,每个编译器可能会选择不同的数据对齐方式,从而导致不同且不兼容的数据布局。因此,在处理不同编译器将使用的库时,了解编译器如何对齐数据很重要。某些编译器具有命令行设置和/或特殊的#pragma语句来更改结构对齐设置。

结构的尺寸大于其部件的总和,这是因为所谓的填充。一个特定的处理器有一个首选的数据大小。大多数现代处理器的首选大小为32位(4字节)。当数据位于这种边界上时,访问内存比跨越这种大小边界的东西更有效。

例如考虑简单的结构:

struct myStruct
{
   int a;
   char b;
   int c;
} data;

如果机器是32位机器,并且数据在32位边界上对齐,我们会看到一个直接的问题(假设没有结构对齐)。在此示例中,让我们假设结构数据从地址1024开始(0x400-请注意,最低2位为零,因此数据与32位边界对齐)。对data.a的访问将正常工作,因为它从边界0x400开始。对data.b的访问也会很好,因为它位于地址0x404——另一个32位边界。但未对齐的结构将把data.c放在地址0x405。数据.c的4个字节位于0x405、0x406、0x407、0x408。在32位机器上,系统将在一个内存周期内读取data.c,但只能获得4个字节中的3个字节(第4个字节位于下一个边界)。因此,系统必须进行第二次内存访问以获得第四个字节,

现在,如果编译器不将data.c放在地址0x405,而是将结构填充3字节,并将data.c放到地址0x408,那么系统只需要1个周期就可以读取数据,从而将对该数据元素的访问时间减少50%。填充以内存效率换取处理效率。考虑到计算机可以拥有大量的内存(许多千兆字节),编译器认为这种交换(速度与大小)是合理的。

不幸的是,当您试图通过网络发送结构,甚至将二进制数据写入二进制文件时,这个问题就成了一个杀手。在结构或类的元素之间插入的填充会破坏发送到文件或网络的数据。为了编写可移植的代码(一个将被几个不同的编译器使用),您可能必须分别访问结构的每个元素,以确保正确的“打包”。

另一方面,不同的编译器有不同的能力来管理数据结构打包。例如,在Visual C/C++中,编译器支持#pragma pack命令。这将允许您调整数据打包和对齐。

例如:

#pragma pack 1
struct MyStruct
{
    int a;
    char b;
    int c;
    short d;
} myData;

I = sizeof(myData);

我现在的长度应该是11。如果没有pragma,我可以从11到14(对于某些系统,可以多达32),这取决于编译器的默认打包。

如果隐式或显式设置了结构的对齐方式,则可以这样做。对齐为4的结构将始终是4字节的倍数,即使其成员的大小不是4字节的倍。

此外,一个库可以在x86下用32位int编译,并且您可以在64位进程上比较它的组件。如果您手动执行此操作,则会得到不同的结果。

除了其他答案,结构可以(但通常不)具有虚拟函数,在这种情况下,结构的大小还将包括vtbl的空间。

这可能是由于字节对齐和填充,使得结构在您的平台上达到偶数字节(或单词)。例如,在Linux上的C中,以下3种结构:

#include "stdio.h"


struct oneInt {
  int x;
};

struct twoInts {
  int x;
  int y;
};

struct someBits {
  int x:2;
  int y:6;
};


int main (int argc, char** argv) {
  printf("oneInt=%zu\n",sizeof(struct oneInt));
  printf("twoInts=%zu\n",sizeof(struct twoInts));
  printf("someBits=%zu\n",sizeof(struct someBits));
  return 0;
}

成员的大小(以字节为单位)分别为4字节(32位)、8字节(2x 32位)和1字节(2+6位)。上面的程序(在使用gcc的Linux上)将大小打印为4、8和4,其中最后一个结构填充为一个单词(在我的32位平台上为4 x 8位字节)。

oneInt=4
twoInts=8
someBits=4