由一道面試題來看 Struct 的對界

本文節選自宋寶華的C/C++的struct深層探索一文，本人對其所描述的struct對齊比較喜歡，為此轉來與大家分享，原文見http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2005/09/08/544877.aspx

Intel 、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題：

1. #include <iostream.h>

2. #pragma pack(8)

3. struct example1

4. {

5.     short a;

6.     long b;

7. };

8. struct example2

9. {

10.          char c;

11.          example1 struct1;

12.          short e;

13. };

14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv[])

16. {

17.          example2 struct2;

18.   cout << sizeof(example1) << endl;

19.   cout << sizeof(example2) << endl;

20.   cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2)

<< endl;

21. return 0;

22. }

問程序的輸入結果是什么？

答案是：

8

16

4

不明白？還是不明白？下面一一道來：

1 、 自然對界

struct 是一種復合數據類型，其構成元素既可以是基本數據類型（如 int 、 long 、 float 等）的變量，也可以是一些復合數據類型（如 array 、 struct 、 union 等）的數據單元。對于結構體，編譯器會自動進行成員變量的對齊，以提高運算效率。缺省情況下，編譯器為結構體的每個成員按其自然對界（ natural alignment ）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

自然對界 (natural alignment) 即默認對齊方式，是指按結構體的成員中 size 最大的成員對齊。

例如：

struct naturalalign

{

char a;

short b;

char c;

};

在上述結構體中， size 最大的是 short ，其長度為 2 字節，因而結構體中的 char 成員 a 、 c 都以 2 為單位對齊， sizeof(naturalalign) 的結果等于 6 ；

如果改為：

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

其結果顯然為 12 。

2 、 指定對界

一般地，可以通過下面的方法來改變缺省的對界條件：

· 使用偽指令 #pragma pack (n) ，編譯器將按照 n 個字節對齊；

· 使用偽指令 #pragma pack () ，取消自定義字節對齊方式。

注意：如果 #pragma pack (n) 中指定的 n 大于結構體中最大成員的 size ，則其不起作用，結構體仍然按照 size 最大的成員進行對界。

例如：

#pragma pack (n)

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

#pragma pack ()

當 n 為 4 、 8 、 16 時，其對齊方式均一樣， sizeof(naturalalign) 的結果都等于 12 。而當 n 為 2 時，其發揮了作用，使得 sizeof(naturalalign) 的結果為 8 。

在 VC++ 6.0 編譯器中，我們可以指定其對界方式（見圖 1 ），其操作方式為依次選擇 projetct > setting > C/C++ 菜單，在 struct member alignment 中指定你要的對界方式。

圖 1 　在 VC++ 6.0 中指定對界方式

另外，通過 __attribute((aligned (n))) 也可以讓所作用的結構體成員對齊在 n 字節邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細講解。

3 、   面試題的解答

至此，我們可以對 Intel 、微軟的面試題進行全面的解答。

程序中第 2 行 #pragma pack (8) 雖然指定了對界為 8 ，但是由于 struct example1 中的成員最大 size 為 4 （ long 變量 size 為 4 ），故 struct example1 仍然按 4 字節對界， struct example1 的 size 為 8 ，即第 18 行的輸出結果；

struct example2 中包含了 struct example1 ，其本身包含的簡單數據成員的最大 size 為 2 （ short 變量 e ），但是因為其包含了 struct example1 ，而 struct example1 中的最大成員 size 為 4 ， struct example2 也應以 4 對界， #pragma pack (8) 中指定的對界對 struct example2 也不起作用，故 19 行的輸出結果為 16 ；

由于 struct example2 中的成員以 4 為單位對界，故其 char 變量 c 后應補充 3 個空，其后才是成員 struct1 的內存空間， 20 行的輸出結果為 4 。

在閱讀了此節之后，本人對為什么在使用過程中用sizeof取得的結構長度不同的問題有了認識，不過本人調試時，不光跟對界方式有關，還和設置的Processor有關，這方面還請大俠幫我指點下迷津。

    過了快一年了，回過頭來再看看這篇文章發現還是有用的，另外再加上一句別人：當未用 #pragma 指令指定編譯器的對齊位數時，結構體按最長寬度的數據成員的寬度對齊；當使用了#pragma 指令指定編譯器的對齊位數時，結構體按最長寬度的數據成員的寬度和 #pragma 指令指定的位數中的較小值對齊。（2007年10月8日）