由一道面试题来看 Struct 的对界

本文节选自宋宝华的C/C++的struct深层探索一文，本人对其所描述的struct对齐比较喜欢，为此转来与大家分享，原文见http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2005/09/08/544877.aspx

Intel 、微软等公司曾经出过一道类似的面试题：

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. }

问程序的输入结果是什么？

答案是：

8

16

4

不明白？还是不明白？下面一一道来：

1 、 自然对界

struct 是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如 int 、 long 、 float 等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如 array 、 struct 、 union 等）的数据单元。对于结构体，编译器会自动进行成员变量的对齐，以提高运算效率。缺省情况下，编译器为结构体的每个成员按其自然对界（ natural alignment ）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

自然对界 (natural alignment) 即默认对齐方式，是指按结构体的成员中 size 最大的成员对齐。

例如：

struct naturalalign

{

char a;

short b;

char c;

};

在上述结构体中， size 最大的是 short ，其长度为 2 字节，因而结构体中的 char 成员 a 、 c 都以 2 为单位对齐， sizeof(naturalalign) 的结果等于 6 ；

如果改为：

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

其结果显然为 12 。

2 、 指定对界

一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

· 使用伪指令 #pragma pack (n) ，编译器将按照 n 个字节对齐；

· 使用伪指令 #pragma pack () ，取消自定义字节对齐方式。

注意：如果 #pragma pack (n) 中指定的 n 大于结构体中最大成员的 size ，则其不起作用，结构体仍然按照 size 最大的成员进行对界。

例如：

#pragma pack (n)

struct naturalalign

{

char a;

int b;

char c;

};

#pragma pack ()

当 n 为 4 、 8 、 16 时，其对齐方式均一样， sizeof(naturalalign) 的结果都等于 12 。而当 n 为 2 时，其发挥了作用，使得 sizeof(naturalalign) 的结果为 8 。

在 VC++ 6.0 编译器中，我们可以指定其对界方式（见图 1 ），其操作方式为依次选择 projetct > setting > C/C++ 菜单，在 struct member alignment 中指定你要的对界方式。

图 1 　在 VC++ 6.0 中指定对界方式

另外，通过 __attribute((aligned (n))) 也可以让所作用的结构体成员对齐在 n 字节边界上，但是它较少被使用，因而不作详细讲解。

3 、   面试题的解答

至此，我们可以对 Intel 、微软的面试题进行全面的解答。

程序中第 2 行 #pragma pack (8) 虽然指定了对界为 8 ，但是由于 struct example1 中的成员最大 size 为 4 （ long 变量 size 为 4 ），故 struct example1 仍然按 4 字节对界， struct example1 的 size 为 8 ，即第 18 行的输出结果；

struct example2 中包含了 struct example1 ，其本身包含的简单数据成员的最大 size 为 2 （ short 变量 e ），但是因为其包含了 struct example1 ，而 struct example1 中的最大成员 size 为 4 ， struct example2 也应以 4 对界， #pragma pack (8) 中指定的对界对 struct example2 也不起作用，故 19 行的输出结果为 16 ；

由于 struct example2 中的成员以 4 为单位对界，故其 char 变量 c 后应补充 3 个空，其后才是成员 struct1 的内存空间， 20 行的输出结果为 4 。

在阅读了此节之后，本人对为什么在使用过程中用sizeof取得的结构长度不同的问题有了认识，不过本人调试时，不光跟对界方式有关，还和设置的Processor有关，这方面还请大侠帮我指点下迷津。

    过了快一年了，回过头来再看看这篇文章发现还是有用的，另外再加上一句别人：当未用 #pragma 指令指定编译器的对齐位数时，结构体按最长宽度的数据成员的宽度对齐；当使用了#pragma 指令指定编译器的对齐位数时，结构体按最长宽度的数据成员的宽度和 #pragma 指令指定的位数中的较小值对齐。（2007年10月8日）