[英]structure padding on 64bit machine
struct A
{
uint32_t var1;
uint32_t var2;
uint32_t var3;
uint32_t var4;
uint32_t var5;
};
在上述结构中,编译器不填充并分配 20 个字节。
现在我们有另一个结构,它包含一个 8 字节变量而不是两个 4 字节。在这种情况下,编译器填充并分配 24 字节给这个结构。
struct B
{
uint32_t var1;
uint32_t var2;
uint32_t var3;
uint64_t var5;
};
为什么会有这种行为? 如果编译器将数据对齐到 8 字节边界,则第一个结构中应该填充 4 个字节,并且在这种情况下不应填充第二个结构。 并且如果编译器将数据对齐到 4 字节边界,那么为什么在第二个结构中有 4 字节的填充?
编译器:GCC 平台:64 位 linux,x86_64
对齐规则(在 x86 和 x86_64 上)通常是根据变量的大小对齐变量。
换句话说,32 位变量在 4 个字节上对齐,64 位变量在 8 个字节上对齐,等等。
在你的第二种情况下,4 个字节的填充被添加到
uint32_t var3;
uint64_t var5;
让var5
对齐 8 个字节。
出于这个原因,最好将数据成员从大到小排序(但由于数据局部性、可读性等原因,这并不那么简单)。
首先,结构对齐不是一门精确的科学,可能取决于体系结构和编译器。
在许多情况下,所有结构成员都根据最大的变量(以字节为单位)进行填充。 在您的第一个结构中,所有变量都是uint32_t
,长度为 4 个字节。 然后,您的结构大小等于sizeof(uint32_t) * 5
= 4 * 5
= 20
。
在您的第二个结构中,最大的元素是uint64_t
,其大小为 8 个字节。 所以所有元素都将根据 8 个字节进行填充。
前两个uint32_t
被填充在一起,但第三个不能正确填充:如果用下一个整数填充,则uint64_t
将一分为二! 所以编译器决定让这个uint32_t
自己独立以避免分裂uint64_t
。
以下是您的结构示例以及所有变量的地址:
struct A
{
uint32_t var1; /* ..00 */
uint32_t var2; /* ..04 */
uint32_t var3; /* ..08 */
uint32_t var4; /* ..12 */
uint32_t var5; /* ..16 */
};
struct B
{
uint32_t var1; /* ..00 */
uint32_t var2; /* ..04 */
uint32_t var3; /* ..08 */
uint64_t var5; /* ..16 */
};
#include <stdio.h>
typedef struct __atribute__((packed)) A {
uint32_t var1;
uint32_t var2;
uint32_t var3;
uint32_t var4;
uint32_t var5;
} A ;
typedef struct __atribute__((packed)) B {
uint32_t var1;
uint32_t var2;
uint32_t var3;
uint64_t var4;
} B;
int main()
{
printf("sizeof(A): {%d} sizeof(B): {%d}", sizeof(A), sizeof(B));
return 0;
}
试试这个,它对我有用
struct B
的填充几乎肯定不在末尾,而是在第三个 32 位成员之后:
struct B
{
uint32_t var1;
uint32_t var2;
uint32_t var3;
// 4-byte padding here
uint64_t var5;
};
这是因为var1
到var3
加起来为 12 个字节,不能被 8 整除。您的编译器希望 8 字节整数类型位于可被 8 整除的地址上。
在这种情况下,您还将在结构的末尾获得填充:
struct C
{
uint64_t memb1;
uint32_t memb2;
// Padding here
};
该填充是为了在struct C
数组中对齐memb1
:
struct C c_array[13];
当然c_array[0].memb1
是对齐的,因为它位于数组的基地址。 但是c_array[1].memb1
呢? 如果结构中没有填充,它就不会对齐。
C 的定义方式是数组元素之间不能添加填充; 数组的元素是紧密分配的。 因此,如果需要填充,则必须将其硬塞到元素类型中。 结构的布局必须考虑可能的数组聚合。
尽管编译器可以按照他们认为合适的方式自由填充或不填充,但通常它们会在变量大小的倍数的边界上对齐变量。
在struct
的情况下,填充基于最大原始元素的大小。 在第二个struct B
的情况下,这将是类型为uint64_t
var5
。
带有隐式填充的struct B
的布局如下:
struct B
{
uint32_t var1; // offset 0
uint32_t var2; // offset 4
uint32_t var3; // offset 8
uint32_t padding; // offset 12
uint64_t var5; // offset 16
};
如果var5
紧跟在var3
,它将位于字节偏移量 12,这不是 8 的倍数。因此需要在var3
之后填充 4 个字节以允许var5
正确对齐。
在struct A
的情况下,所有字段的大小都是 4 个字节,因此不需要填充。 如果您创建了这种类型的数组,例如struct A a[5]
,则a[1]
将是a[0]
之后a[0]
20 个字节, a[2]
将是a[1]
之后a[1]
20 个字节,依此类推。 向struct A
添加填充会浪费空间,因为所有子字段仍然在它们需要的 4 字节边界上对齐。
虽然我确定有例外,但通常编译器会插入足够的填充来满足对齐要求,无论是对于结构中的字段还是对于整个结构。 C 编译器不允许对结构中的字段重新排序。
不同的类型可以有不同的对齐要求,一个类型的大小必须是它的对齐要求的倍数。 在大多数 64 位系统上,标准 C 基元类型的对齐要求与其大小相同。 结构通常具有与其成员的最高对齐要求相等的对齐要求。
有时必须填充结构以确保其成员满足对齐要求,并且结构作为一个整体的大小是其对齐要求的倍数。
所以让我们看看你的结构,加上第三个结构。
struct A
{
uint32_t var1; //size 4, alignment 4, offset 0
uint32_t var2; //size 4, alignment 4, offset 4
uint32_t var3; //size 4, alignment 4, offset 8
uint32_t var4; //size 4, alignment 4, offset 12
uint32_t var5; //size 4, alignment 4, offset 16
};
所有字段都是 uint32_t 类型,大小为 4,对齐方式为 4。因此不需要填充,结构的整体大小为 20 字节,整体对齐方式为 4 字节。
struct B
{
uint32_t var1; //size 4, alignment 4, offset 0
uint32_t var2; //size 4, alignment 4, offset 4
uint32_t var3; //size 4, alignment 4, offset 8
//4 bytes of padding.
uint64_t var5; //size 8, alignment 8, offset 16
};
前三个字段的大小和对齐方式为 4,因此可以在不填充的情况下分配它们。 但是var5的大小和对齐是8,所以不能在12偏移处分配。必须插入填充,var5在偏移16分配。整个结构的大小是24,对齐是8。
struct C
{
uint32_t var1; //size 4, alignment 4, offset 0
uint32_t var2; //size 4, alignment 4, offset 4
uint64_t var3; //size 8, alignment 8, offset 8
uint32_t var5; //size 4, alignment 4, offset 16
//4 bytes of padding
};
在这种情况下,所有变量都可以分配到合适的偏移量,而无需插入填充。 然而,结构的总大小必须是其对齐要求的倍数(否则数组会破坏对齐),因此必须填充结构的末尾。 同样,整个结构的大小为 24,对齐为 8。
一些编译器具有覆盖结构的正常打包的机制,例如另一个答案中提到的__attribute__((packed))
。 然而,必须极其谨慎地使用这些功能,因为它们很容易导致对齐违规。
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