許多實際的計算機系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會要求這些數(shù)據(jù)的起始地址的值是某個數(shù)k的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊，而這個k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對齊模數(shù)(alignment modulus)。這種強制的要求一來簡化了處理器與內(nèi)存之間傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，二來可以提升讀取數(shù)據(jù)的速度。比如這么一種處理器，它每次讀寫內(nèi)存的時候都從某個8倍數(shù)的地址開始，一次讀出或?qū)懭?個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假如軟件能保證double類型的數(shù)據(jù)都從8倍數(shù)地址開始，那么讀或?qū)懸粋€double類型數(shù)據(jù)就只需要一次內(nèi)存操作。否則，我們就可能需要兩次內(nèi)存操作才能完成這個動作，因為數(shù)據(jù)或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8字節(jié)內(nèi)存塊上。

1)結(jié)構(gòu)體總長度
2)結(jié)構(gòu)體內(nèi)各數(shù)據(jù)成員的內(nèi)存對齊，即該數(shù)據(jù)成員相對結(jié)構(gòu)體的起始位置

1)將結(jié)構(gòu)體內(nèi)所有數(shù)據(jù)成員的長度值相加，記為sum_a；
2)將各數(shù)據(jù)成員為了內(nèi)存對齊，按各自對齊模數(shù)而填充的字節(jié)數(shù)累加到和sum_a上，記為sum_b。對齊模數(shù)是#pragma pack指定的數(shù)值以及該數(shù)據(jù)成員自身長度中數(shù)值較小者。該數(shù)據(jù)相對起始位置應(yīng)該是對齊模式的整數(shù)倍;
3)將和sum_b向結(jié)構(gòu)體模數(shù)對齊，該模數(shù)是#pragma pac指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大的基本數(shù)據(jù)類型成員長度中數(shù)值較小者。結(jié)構(gòu)體的長度應(yīng)該是該模數(shù)的整數(shù)倍。

在計算之前，我們首先需要明確的是各個數(shù)據(jù)成員的對齊模數(shù)，對齊模數(shù)和數(shù)據(jù)成員本身的長度以及pragma pack編譯參數(shù)有關(guān)，其值是二者中最小數(shù)。如果程序沒有明確指出，就需要知道編譯器默認(rèn)的對齊模數(shù)值。下表是Windows XP/DEV-C++和Linux/GCC中基本數(shù)據(jù)類型的長度和默認(rèn)對齊模數(shù)。

例子1：

struct my_struct
{
char a;
long double b;
};

此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B = 9B --> sum_a = 9B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是8，之前需填充7個字節(jié)，sum_a + 7 = 16B --> sum_b = 16 B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖1-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)，sum_a + 3 = 16B --> sum_b = 16 B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為12后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b是4的4倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖1-2所示。



例子2：

#pragma pack(2)
struct my_struct
{
char a;
long double b;
};
#pragma pack()

例子1和例子2不同之處在于例子2中使用了#pragma pack(2)編譯參數(shù)，它強制指定對齊模數(shù)是2。此例子Windows和Linux計算方法有些許不一致。

在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B = 13B --> sum_a = 9B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是2，之前需填充1個字節(jié)，sum_a + 1 = 10B --> sum_b = 10 B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為2，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是2。sum_b是2的5倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是10B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖2-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 12B = 13B --> sum_a = 13B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是2，之前需填充1個字節(jié)，sum_a + 1 = 14B --> sum_b = 14 B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為2，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是2。sum_b是2的7倍，不需再次對齊。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是14B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖2-2所示。



例子3：

struct my_struct
{
char a;
double b;
char c;
}; 

前兩例中，數(shù)據(jù)成員在Linux和Windows下都相同，例3中double的對齊模數(shù)在Linux中是4，在Windows下是8，針對這種模數(shù)不相同的情況加以分析。
在Windows中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B --> sum_a = 10B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是8，之前需填充7個字節(jié)，sum_a + 7 = 17B --> sum_b = 17B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為8，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是8。sum_b應(yīng)該是8的整數(shù)倍，所以要在結(jié)構(gòu)體后填充8*3 - 17 = 7個字節(jié)。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖3-1所示。

在Linux中計算步驟如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：1B + 8B + 1B = 10B，sum_a = 10B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)，sum_b = sum_a + 3 = 13B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma
pack中較小者，前者為8后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b應(yīng)該是4的整數(shù)倍，所以要在結(jié)構(gòu)體后填充4*4 - 13 = 3個字節(jié)。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是16B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖3-2所示。



例子4：

struct my_struct
{
char a[11];
int b;
char c;
}; 

此例子Windows和Linux計算方法一樣，如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：11B + 4B + 1B = 16B --> sum_a = 16B
步驟2：數(shù)據(jù)成員a放在相對偏移0處，之前不需要填充字節(jié)；數(shù)據(jù)成員b為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)，sum_a + 1 = 17B --> sum_b = 17B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為4后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b是4的整數(shù)倍，需在結(jié)構(gòu)體后填充4*5 - 17 = 1個字節(jié)。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是20B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖4所示。



例子5：

struct my_test
{
int my_test_a;
char my_test_b;
};
struct my_struct
{
struct my_test a;
double my_struct_a;
int my_struct_b;
char my_struct_c;
}; 

例子5和前幾個例子均不同，在此例子中我們要計算struct my_struct的大小，而my_struct中嵌套了一個my_test結(jié)構(gòu)體。這種結(jié)構(gòu)體應(yīng)該如何計算呢？原則是將my_test在my_struct中先展開，然后再計算，即是展開成如下結(jié)構(gòu)體：

struct my_struct
{
int my_test_a;
char my_test_b;
double my_struct_a;
int my_struct_b;
char my_struct_c;
}; 

此例子Windows中的計算方法如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B --> sum_a = 18B
步驟2：數(shù)據(jù)成員my_struct_a為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是8，之前需填充3個字節(jié)：sum_a + 3 = 21B --> sum_b = 21B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma pack中較小者，前者為8后者為8，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是8。sum_b是8的整數(shù)倍，需在結(jié)構(gòu)體后填充3*8 - 21 = 3個字節(jié)。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖5所示。

此例子Linux中的計算方法如下：
步驟1：所有數(shù)據(jù)成員自身長度和：4B + 1B + 8B + 4B + 1B= 18B，sum_a = 18B
步驟2：數(shù)據(jù)成員my_struct_a為了內(nèi)存對齊，根據(jù)“結(jié)構(gòu)體大小的計算方法和步驟”中第二條原則，其對齊模數(shù)是4，之前需填充3個字節(jié)，sum_b = sum_a + 3 = 21B
步驟3：按照定義，結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)部最大數(shù)據(jù)成員長度和pragma
pack中較小者，前者為4后者為4，所以結(jié)構(gòu)體對齊模數(shù)是4。sum_b是4的整數(shù)倍，需在結(jié)構(gòu)體后填充6*4 - 21 = 3個字節(jié)。
綜上3步，可知結(jié)構(gòu)體的長度是24B，各數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的分布如圖5所示。

上面的例子均在Windows(VC++6.0)和Linux(GCC4.1.0)上測試驗證。下面是測試程序。

#include <iostream>
int main()
{
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 例子1
{
struct my_struct
{
char a;
long double b;
};
std::cout << "exapmle-1: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;
struct my_struct data;
printf("my_struct->a: %u\n"
"my_struct->b: %u\n"
"sizeof(long double): %u\n", &data.a, &data.b, sizeof(long double));
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 例子2
{
#pragma pack(2)
struct my_struct
{
char a;
long double b;
};
#pragma pack()
struct my_struct data;
std::cout << "exapmle-2: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;
printf("my_struct->a: %u\n"
"my_struct->b: %u\n"
"sizeof(long double): %u\n", &data.a, &data.b, sizeof(long double));
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 例子3
{
struct my_struct
{
char a;
double b;
char c;
};
struct my_struct data;
std::cout << "exapmle-3: sizeof(my_struct) = " << sizeof(my_struct) << std::endl;
printf("my_struct->a: %u\n"
"my_struct->b: %u\n"
"my_struct->c: %u\n", &data.a, &data.b, &data.c);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 例子4
{
struct my_struct
{
char a[11];
int b;
char c;
};
std::cout << "example-4: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << std::endl;
struct my_struct data;
printf("my_struct->a: %u\n"
"my_struct->b: %u\n"
"my_struct->c: %u\n", &data, &data.b, &data.c);
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 例子5
{
struct my_test
{
int my_test_a;
char my_test_b;
};
struct my_struct
{
struct my_test a;
double my_struct_a;
int my_struct_b;
char my_struct_c;
};
std::cout << "example-5: sizeof(my_struct) = " << sizeof(struct my_struct) << std::endl;
struct my_struct data;
printf("my_struct->my_test_a  : %u\n"
"my_struct->my_test_b  : %u\n"
"my_struct->my_struct_a: %u\n"
"my_struct->my_struct_b: %u\n"
"my_struct->my_struct_c: %u\n", &data.a.my_test_a, &data.a.my_test_b,
&data.my_struct_a, &data.my_struct_b, &data.my_struct_c);
}
return 0;
}