Alignment and Pack

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长久以来，我都有这样一个观念，比如 pack(4)，就代表着所有数据都是以 4 字节对齐的，直到我有了 64 位机，并且看到下面这个例子：

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struct One {
    double d;
    char c;
    int i;
};

struct Two {
    char c;
    double d;
    int i;
};

如果按 4 字节对齐的话，按我的观点，结构体中每一个成员都应该以 4 字节对齐，那么两个都是 4+8+4=16, 结果是对的。

那么如果按 8 字节对齐的话，结果是不是应该是 8+8+8＝24？

可是错了。

正确的结果应该是 sizeof(struct One) = 16, sizeof(struct Two) = 24

为什么不一样呢？

pragma pack(n) 它指定了结构成员按 n（1,2,4,8,16）字节对齐，但它并不是指结构体中的每个成员都要按 n 对齐，而是按照每个成员的大小（align 值）和 n 相比较小的值对齐。

结构体还有另外一个需求，就是其大小必须是其成员 align 值最大者的整数倍。

那么上面的两个不同就很好解释了：

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struct One {
    double d; // 8 字节对齐占第 0-7 字节
    char c;   // 1 字节对齐占第 8 字节，另外 9-11 字节用于下面 int 对齐
    int i;    // 4 字节对齐占第 12-15 字节，16 是 8 的倍数，不需要 padding
};

struct Two {
    char c;   // 1 字节对齐占第 0 字节，另外 1-7 字节用于下面 double 对齐
    double d; // 8 字节对齐占 8-15 字节
    int i;    // 4 字节对齐占 16-19 字节，20 不是 8 的倍数，需要加 4 个字节 padding
};

各种类型变量的 align 值可参考 Data Structure Alignment

再举一个结构体嵌套的例子：

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struct Four
{
    short s;
    long l;
};

struct Five
{
    char c;
    struct Four four;
    short s;
};

sizeof(struct Four) 和 sizeof(struct Five) 在 4 字节对齐和 8 字节对齐时分别是多少呢？

我们以 8 字节对齐为例：

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struct Four
{
    short s; // 2 字节对齐占第 0-1 字节，另外 2-7 字节用于下面 long 对齐
    long l;  // 8 字节对齐占第 8-15 字节
}; // sizeof(struct Four) ＝ 16

struct Five
{
    char c;            // 1 字节对齐占第 0 字节，另外 1-7 字节用于下面 four 对齐
    struct Four four;  // 8 字节对齐，占第 8-23 字节，结构体以其成员最大 align 值对齐
    short s;           // 2 字节对齐，占第 24-25 字节，26 不是 8 的倍数，需外加 6 字节
}; // sizeof(struct Five) ＝ 32

如果在 32 位机中，struct Four 中，long 长度为 4, 于是 sizeof(struct Four) = 8, 并且最大 align 值是 4.

于是在 struct Five 中，four 是按 4 字节对齐的，虽然是 pack(8)，但 4<8, 所以选 4 作为 align 值，sizeof(struct Five) = 16.

以上所有实验结果来自 x86_64 GNU/Linux，gcc (GCC) 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-48)。