C++ or C

本文讨论的是 C++, 在C中内存布局差不多，但也不尽相同。如一个空的struct，c++中大小为1， C中却大小为0.

struct 的最小大小为1

C++中每个对象必须有个唯一的地址，所以每个对象的大小必须不能为0。因此一个 struct 的最小大小为 1. 一个例子是一个空struct:

struct EmptyStruct {};
// sizeof (EmptyStruct) = 1

内存布局流程

一个 struct 的内存布局流程可以简化为下面几步：

1. struct 放到地址0上
2. struct 的所有成员顺序地依次放置到自己的偏移位置上
3. 所有成员放置完毕，对struct的内容大小（最后一个成员的终了位置）进行对齐，计算出新大小

流程中涉及到两点：

1. 如何确定一个成员的放置起始位置
2. 如何最后对struct的内容大小进行对齐

成员的起始位置

当放置完上一个成员之后，对接下来的成员放置位置是有要求的，要求这个位置偏移（对于struct的起始位置)必须是这个成员的内部最大pod类型的大小的倍数。

成员的内部最大pod类型可以分成几种情况来讨论：

• 第一种是这个成员就是基本的pod类型（int,char,double,…) ，那么其内部最大pod类型大小自然是其本身成员的大小了。

• 第二种是这个成员是struct类型，其内部最大pod类型为struct内部的各个成员的内部最大pod类型中最大的那个（有个递归了）。

• 第三种是数组，数组的内存布局要求是，每个数组成员之间无空隙排列的，没有填充字节。所以数组的总大小是数组长度乘以每个数组成员的大小。内部最大pod类型的大小为数组成员内部的最大pod类型大小（有个递归了）。

伪代码如下:

// 求内部最大的成员大小
function maxInnerUnitSize(data)
    if data 是 pod类型：
         return sizeof(pod类型)
    else if data 是 struct 类型:
        return max(map(data.members, maxInnerUnitSize))
    else if data  是 数组类型:
       return maxInnerUnitSize(data[0])
end

在上个放置成员尾部和当前成员起始位置之间如果有间隙，那么编译器会填充无效字节。

然后就可以把当前成员放置进去，放入的大小为当前成员的总大小。一个成员的大小计算伪代码：

function dataSize(data)
    if data 是 pod类型：
         return sizeof(pod类型)
    else if data 是 struct 类型:
        return struct 的大小
    else if data  是 数组类型:
       return 数组长度 * sizeof(data[0])
end

struct 的大小对齐

成员都放置完毕之后，struct的内容大小有个规则，必须是内部最大pod类型的大小的倍数。没错，就是上面那个 maxInnerUnitSize。

然后在最后一个成员末尾到struct的新大小末尾会填充字节（如果有空隙的话）。

举个例子：

struct AAA {
    char a[3];
    int64_t b;
    char c;
};

首先，最大成员大小 maxInnerUnitSize 为 max(3, 8, 1) = 8, 所以每个成员的偏移位置必须是 8 的倍数。先放置 a 在 0 处，其占用 3 个字节，然后填充 5 个补齐字节，以让 b 放置在 8 处，b占用 8 个字节，最后 c 放置在 16 处，占用 1 个字节。至此整个struct内容大小为 17，所以调整到 8 的倍数，末尾填充 6 个字节，struct 大小调整为 24.

#pragma pack(n) 的影响

pack 的参数n，有1，2，4，8，16， 原则是 2 的次幂。这个参数影响的是上面流程中的内部最大pod类型大小。影响是从正常流程算出的大小，和pack(n) 指定的大小取最小值来布局。即：

maxInnerUnitSize(data) = min(maxInnerUnitSize(data), pack_n)

再看上面的例子，添加 pack(n) 后的效果：

#pragma pack(4)

struct AAA {
    char a[3];
    int64_t b;
    char c;
};

首先，最大成员大小 maxInnerUnitSize 为 max(3, 8, 1) = 8, 然后与 pack(4) 取最小徝，故每个成员的偏移位置必须是 4 的倍数。

a 放置在地址 0 处，占用 3 个字节，接下来 b 放置在地址 4 处，占用 8 个字节， c 放置在地址 12 处，占用 1 个字节。struct内容区域大小为 13 ，需要调整为 4 的倍数，所以大小调整为 16 .

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