1结构体填充
COMS W3157
Dr. Borowski
1 结构体如何存储？
```
struct my_struct {
char c;
int i;
long l;
};
struct my_struct s;
s.c = 'A';
s.i = 3000;
s.l = 123456789;
```
你将如何把 s 存储在内存中？
永远记住：一切都只是二进制位！
2 简单（错误）的方法
将每个字段一个接一个地存储。
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| $0 \times 41$ | $0 \times$ B 8 | $0 \times 0 \mathrm{~B}$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ | $0 \times 15$ | 0xCD | $0 \times 5 \mathrm{~B}$ | $0 \times 07$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ |
| char c (1 字节) | int i (4 字节) | | | | long $l$ (8 字节) | | | | | | | |
我们结构体的总大小是 $13(1+4+8)$。
3 我们为什么不这样做？
这很慢！CPU 的设计目的不是在未对齐的位置读/写字节块。
解决方案：将每个结构体成员存储在其大小的倍数偏移量处。这样，CPU 可以更快地访问它。
这导致结构体内部出现空闲空间，称为填充。
4 带填充的相同结构体
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| $0 \times 41$ | 0x?? | 0x?? | 0x?? | 0 xB8 | 0 x 0 B | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ |
| char c | 填充 (3 字节) | | | int i (4 字节) | | | |
| 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| $0 \times 15$ | 0xCD | $0 \times 5 \mathrm{~B}$ | $0 \times 07$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ | $0 \times 00$ |
| long l (8 字节) | | | | | | | |
现在每个成员都已对齐，但我们添加了 3 字节的填充，因此结构体的大小是 16。
5 结构体填充规则
注意：这些规则可能因系统而异
- 每个成员的偏移量必须是该成员大小（以字节为单位）的倍数。
- 结构体的总大小必须是其最大成员大小（以字节为单位）的倍数。
- 成员的顺序保持与代码中出现的一致。
6 示例：
这个结构体的大小是多少？
```
struct padded_struct {
char c1;
int i1;
char c2;
int i2;
int i3;
long l;
};
```
7 示例：
这个结构体的大小是多少？
```
struct padded_struct {
char c1;
int i1;
char c2;
int i2;
int i3;
long l;
};
```
| char c1 | | | int i1 (4 字节) |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| char c2 | | | int i2 (4 字节) |
| int i3 (4 字节) | | | |
| long l (8 字节) | | | |
22 个有用字节 + 10 字节填充 = 32 字节！如果我们再添加一个 char 会发生什么？
8 那么数组呢？
```
struct padded_struct {
int i[3];
char c[5];
};
```
我们是将 i 对齐到 3 字节，c 对齐到 5 字节吗？
9 那么数组呢？
```
struct padded_struct {
int i[3];
char c[5];
};
```
```
struct padded_struct {
int iO, i1, i2;
char c0, c1, c2, c3, c4;
};
```
我们是将 i 对齐到 3 字节，c 对齐到 5 字节吗？
不！将 i [3] 视为 3 个不同的 int，将 c [ 5 ] 视为 5 个 char。
10 真正的挑战：嵌套结构体
```
struct A {
char c;
int i;
};
struct B {
struct A m;
int j;
};
```
结构体 B 的大小是多少？
11 嵌套结构体填充规则
- 首先找到内部结构体的大小。
- 在外部结构体中：将嵌套结构体成员对齐到其最大类型的大小（而不是内部结构体的总大小！）
- 计算外部结构体的填充大小时，单独考虑嵌套结构体的每个成员（类似于数组）。
```
struct A {
char c;
int i;
};
```
| char c | | |
| :--- | :---: | :--- |
| | int i | |
12 A 的大小：8 字节
```
struct B {
struct A m;
int j;
};
```
| char c | | |
| :---: | :---: | :--- | :--- |
| int i | | |
| int j | | |
结构体 A
B 的大小：12 字节
13 联合体
```
union my_union {
char c;
int i;
};
```
联合体类似于结构体，不同之处在于所有成员都存储在相同的内存位置 ⟶ 写入一个成员会覆盖其他成员。
14 联合体的大小始终是其最大类型的大小，并对齐到联合体内最大的类型。
15 最终示例
```
struct inner {
char a;
int b;
};
union my_union {
double x;
int y[2];
};
struct outer {
char flag;
struct inner i;
union my_union u;
short z;
};
```
2outer 的大小是多少？
16 最终示例
```
struct inner {
char a;
int b;
};
```
17 inner 的大小：8 字节
```
union my_union {
double x;
int y[2];
};
```
| $x$ 和 $y[0]$ 的低 4 字节 | $x$ 和 $y[1]$ 的高 4 字节 |
| :--- | :--- |
18 my_union 的大小：8 字节
```
struct outer {
char c;
struct inner i;
union my_union u;
short z;
};
```
outer 的大小：$\mathbf{4} \times \mathbf{8}=\mathbf{3 2}$ 字节