struct union資料對齊和sizeof大小

什麼是資料對齊？簡單的說就是資料的起始位址必須是對齊值的整數倍。如果對齊值為N,則 起始位址 % N=0。

為什麼要資料對齊？為了提高存取變量的效率。位元組是記憶體空間配置設定的最小機關, 在程式中，我們定義的變量可以放在任何位置。其實不同架構 的CPU在通路特定類型變量時是有規律的,比如有的CPU通路int型變量時，會從偶數位址開始讀取的,int類型占用4個位元組（windows平台）。 0X0000，0X0004，0X0008…..這樣隻需要讀一次就可以讀出Int類型變量的值。相反地，則需要讀取二次，再把高低位元組相拼才能得到 int類型的值，這樣子看的話，存取效率當然提高了。　　

通常寫程式的時候，不需要考慮這些情況，編譯都會為我們考慮這些情況，除非針對那些特别架構的 CPU程式設計的時候的則需要考慮 。當然使用者也可以手工控制對齊方式。

資料對齊可以分為幾種類别：

1 基本資料類型的資料對齊

基本類型的資料對齊值是其本身的大小。

類型	對齊值(位元組)
char	1
short	2
int	4
float	4
double	8
指針	4(32位) 8(64位)

2 struct/class的自身對齊值。對于結構體和類的自身對齊值是所有成員中最大的自身對齊值。

結構體和類的對齊規則：先将資料成員對齊，在将結構體和類自身對齊，最終大小與資料成員順序 有關。

3 union的自身對齊值。union的自身對齊值是所有成員中最大的對齊值。union的對齊規則，隻需要union自身對齊，不需要資料成員對齊,最終大小與資料成員順序無關。

4 指定對齊值。使用#pragma pack(n)指定對齊值為n,使用#pragma pack() 回複預設對齊值。

5 有效對齊值。對于指定了對齊值的代碼， 有效對齊值=min(類/結構體/成員的自身對齊值， 指定對齊值)

未指定對齊值時，預設的對齊值一般為8。

有效對齊值決定了資料存放的方式，sizeof運算符是根據有效對齊值計算大小的。

舉例分析：

union U1
{
    char a[];
    int b;
    double c;
};

union U2
{
    int b;
    char a[];
    double c;
};

union U3
{
    double c;
    int b;
    char a[];

};
           

U1,U2,U3的sizeof的值都是16。 union的大小是所有成員中記憶體最大的大小。是以是9。因為對齊問題，union自身的對齊值是所有成員對齊的最大值 8。是以要填充 9個位元組， 最終的大小為16。

從這個例子可以看出：union不需要成員資料對齊， 最終大小與成員的順序無關。

struct A
{
    char a[];
    short b;
    int c;
};

struct B
{
    short b;
    int c;
    char a[];

};

struct C
{
    int c;
    char a[];
    short b;
};
           

結果值分别為16 20 16。

先看A，首先是成員的對齊。 a需要9個位元組，char的對齊值是2，是以填充1個位元組，9 + 1 + 2 = 12 個位元組。int的對齊值為4，12 % 4 = 0，是以 大小為 12 + 4 = 16。在看 struct的對齊。struct的對齊值為最大對齊值4。 16 % 4 = 0。 最終大小為16。

在看B，首先是成員的對齊。short需要2位元組，int的對齊值為4，是以填充2個位元組，2 + 2 + 4 = 8。 char的對齊值為1(與數組無關,不是9)， 8 + 9 = 17。再看struct的對齊值為4，填充3個位元組，17 + 3 = 20。

再看C, int 需要4個位元組， a 需要9個位元組， 4 + 9 = 13。 short需要2個位元組， 4 + 9 + 1 + 2 = 16。 再看struct的對齊，對齊值為4， 16 % 4 = 0。 最終結果為4。

從這個例子可以看出：struct需要先對其資料成員，在對其struct本身。最終大小與成員順序有關。

書寫結構體時，建議按照資料類型(對齊值)從小到大書寫。

#pragma pack()

union U1
{
    char a[];
    int b;
    double c;
};

union U2
{
    int b;
    char a[];
    double c;
};

union U3
{
    double c;
    int b;
    char a[];

};

struct A
{
    char a[];
    short b;
    int c;
};

struct B
{
    short b;
    int c;
    char a[];

};

struct C
{
    int c;
    char a[];
    short b;
};
           

結果值分别為10 10 10 16 16 16.

先看三個union。大小都為9，成員中最大的對齊值為8，指定的對齊值為2， 有效對齊值為2。union本身對齊值為2。 則 結果為9＋１＝１０。

再看Ａ。ａ需要９個位元組，short需要2個位元組，填充一個位元組，9+1+2= 12。int的對齊值為4，指定為2，有效對齊值為2。 是以 12+4 =16。再看結構體本身，成員最大對齊值為4，指定為2， 有效對齊值為2， 16 % 2 = 0。最終結果為 16。

再看B。short需要2位元組，int有效對齊值為2，2 + 4 = 6， char需要9位元組， 6+ 9=15。 再看struct本身對齊。有效對齊值為2， 15+ 1 = 16。

再看C。int 占4位元組，數組占9位元組， 4+ 9 = 13， 填充一個位元組， 13+1 + 2 = 16. 再看struct本身對齊。滿足要求。最終結果為16。

如果是嵌套的情況呢？

舉例分析：

union U
{
    char a[];
    int b;
    double c;
};

struct A
{
    U u;
    char a[];
    short b;
    int c;
};

struct B
{
    short b;
    U u;
    int c;
    char a[];

};
struct C
{
    int c;
    char a[];
    short b;
    struct A aa;
};
           

A B C最終大小為：32 40 48;

分析:根據前面的分析，union U的大小為16，對齊值為 8。

A: U大小為16， char數組大小為9， 16 + 9 = 25。填充1個位元組，放short， 25 + 1 + 2 = 28。 再放int， 28＋４＝３２。struct本身的對齊值為8， 32 % 8 = 0，滿足要求。

B：short占2位元組， U占16，最氣質為8，是以填充6位元組， 2 + 6 + 16 = 24。放int， 24 + 4 = 28。放char數組，28+9=37。 struct本身有效對齊值為8，填充3位元組， 37+3 = 40.

C: A的大小為32， 有效對齊值為8。 int 占4位元組， char數組占9位元組，4 +9=13。填充一個位元組，放short，13+1+2 = 16。 放A，16+32 = 48。struct本身對齊也滿足。

總結：對于嵌套類型，先按照規則分别計算每個資料成員的大小和對齊值，在考慮結構體本身的對齊。