sizeof(struct)和sizeof(union)的结果分析及其原因

一个错误

有的时候，在脑海中停顿了很久的“显而易见”的东西，其实根本上就是错误的。就拿下面的问题来看：

struct T
{
    char ch;
    int i;
};

使用sizeof(T)，将得到什么样的答案呢？要是以前，想都不用想，在32位机中，int是4个字节，char是1个字节，所以T一共是5个字节。实践出真知，在VS中测试了下，答案是8个字节。再来一个例子：

union foo
{
    char s[10];
    int i;
};

我们知道共用体表示几个变量共用一个内存位置，所以，想不用想，sizeof(foo)=10，然后，马上被打脸！啪啪啪的，哎，反正受伤的总是我，我已经有点麻木了，还是老老实实的接受吧！实践出真知，在VS中测试了下，答案是12个字节。为什么答案和自己想象的有出入呢？这里将引入内存对齐这个概念。

内存对齐概念及其提出的原因

许多计算机系统对其内置类型的存放位置有一定的限制，通常会按照一定的倍数k存放相应的类型，这种方式即为内存对齐。其中k称为内存模数。

若sizeof(struct S1)/sizeof(struct S2)>1 则称S1的对齐要比S2的对齐严格，反之相反。

为什么要提出内存对齐？

比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。（在有些处理器上内存不对齐的话可能会出现错误）

一、struct结构体（C++）在没有设置#pragma pack宏的情况下

下面用前面的例子来说明VC到底怎么样来存放结构的。

struct MyStruct
{
  double dda1;
  char dda;
  int type;
};

为上面的结构分配空间的时候，VC根据成员变量出现的顺序和对齐方式，

先为第一个成员dda1分配空间，其起始地址跟结构的起始地址相同（偏移量0为sizeof(double)的倍数），该成员变量占用sizeof(double)=8个字节；

接下来为第二个成员dda分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为8，是sizeof(char)的倍数，所以把dda存放在偏移量为8的地方满足对齐方式，该成员变量占用sizeof(char)=1个字节；

接下来为第三个成员type分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为9，不是sizeof(int)=4的倍数，为了满足对齐方式对偏移量的约束问题，编译器自动填充3个字节（这三个字节没有放什么东西），这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为12，刚好是sizeof(int)=4的倍数，所以把type存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof(int)=4个字节；

这时整个结构的成员变量已经都分配了空间，总的占用的空间大小为：8+1+3+4=16，刚好为结构的字节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以没有空缺的字节需要填充。

所以整个结构的大小为：sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16，其中有3个字节是编译器自动填充的，没有放任何有意义的东西。

再举个例子，交换一下上面的MyStruct的成员变量的位置，使它变成下面的情况：

struct MyStruct
{
  char dda;
  double dda1;
  int type;
};

这个结构占用的空间为多大呢？sizeof(MyStruc)为24。

原因分析：

先为第一个成员dda分配空间，偏移量为0为sizeof(char)的倍数，满足对齐方式，dda占用1个字节；

接下来为第二个成员dda1分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为1，不是sizeof(double)的倍数，需要补足7个字节才能使偏移量变为8（满足对齐方式），因此编译器自动填充7个字节，dda1存放在偏移量为8的地址上， 它占用8个字节。

接下来为第三个成员type分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为16，是sizeof(int)=4的倍数，满足int的对齐方式，所以不需要自动填充，type存放在偏移量为16的地址上，它占用4个字节。

所有成员变量都分配了空间，空间总的大小为1+7+8+4=20，不是结构的节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof(double)=8）的倍数，所以需要填充4个字节，以满足结构的大小为sizeof(double)=8的倍数。

所以该结构总的大小为：sizeof(MyStruc)为1+7+8+4+4=24。其中总的有7+4=11个字节是编译器自动填充的，没有放任何有意义的东西。

#pragma pack(n)

编译器中提供了#pragma pack(n)来设定变量以n字节对齐方式。//n为1、2、4、8、16...

n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：

• 第一，如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，即该变量所占用字节数的整数倍；
• 第二，如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。

同时，结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：

• 第一，如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数；
• 第二，如果n小于等于所有成员变量类型所占用的字节数，那么必须为n的倍数。

比如，在上面的代码前加一句#pragma pack(1)，就是没有对齐规则。比如上面的两个例子，sizeof(MyStruc)都是13

#pragma pack(1)
struct MyStruct
{
  double dda1;
  char dda;
  int type;
};
cout << sizeof(MyStruct) << endl;

二、union共用体

共用体表示几个变量共用一个内存位置，在不同的时间保存不同的数据类型和不同长度的变量。在union中，所有的共用体成员共用一个空间，并且同一时间只能储存其中一个成员变量的值。

当一个共用体被声明时, 编译程序自动地产生一个变量, 其长度为union中占用最大空间的类型的整数倍，且要大于等于其最大成员所占的存储空间。(重要重要重要！！！)

在给共用体的元素赋值时，实际上会发生相互覆盖的情况，当我们读取一个被覆盖掉的值时会得到什么结果，就取决于计算机的大小端字节序的模式了。关于这个的讨论，这里就不展开了。

所以，刚开始的问题：

union foo
{
    char s[10];
    int i;
};

sizeof(foo) = 12，原因是，首先要满足是int类型的长度4的倍数，同时要大于等于char数组的长度10，所以，得到12。

当在共用体中包含结构体时，如下：

typedef struct inner
{
  char c1;
  double d;
  char c2;
}Inner;

union data4
{
  Inner t1;
  int i;
  char c;
};
cout << sizeof(data4) << endl;

sizeof(data4) = 24。刚开始，这个答案我是拒绝的！不应该是16吗？struct，第一个偏移位置放char，1不是sizeof(double)=8的倍数，所以，补充7个字节，从偏移位置8，放double，从偏移位置16，放char。最后，16又是结构体中最大类型double的倍数。完美！但是，我们求得是所占空间，而不是偏移位置！！！所占空间：1 + 7 + 8 + 1 = 17。17不是结构体中最大类型double的倍数，需要补充7个字节，得到24。

而union所占空间，一是最大类型所占空间的倍数，二是要大于等于最大成员的长度。得到24。

当在结构体中包含共用体时，

typedef union
{
  long i;
  int k[5];
  char c;
}DATE;

struct data
{
  int cat;
  char cc;
  DATE cow;
  char a[6];
};

cout << sizeof(data) << endl;

sizeof(data) = 36，共用体在结构体里的对齐地址为共用体本身内部所对齐位数，sizeof(DATE)=20, 而在结构体中中是4+1+3（补齐4对齐）+20+6+2（补齐4对齐）=36；

三、sizeof用法总结

sizeof有着许多的用法，而且很容易引起一些错误。下面根据sizeof后面的参数对sizeof的用法做个总结。

A．参数为数据类型或者为一般变量。例如sizeof(int),sizeof(long)等等。这种情况要注意的是不同系统系统或者不同编译器得到的结果可能是不同的。例如int类型在16位系统中占2个字节，在32位系统中占4个字节。

B．参数为数组或指针。下面举例说明

int a[50]; //sizeof(a)=4*50=200;sizeof(a)求数组所占的空间大小

int *a=new int[50];// sizeof(a)=4; a为一个指针，sizeof(a)是求指针的大小,在32位系统中，当然是占4个字节。

C．参数为结构或类。sizeof应用在类和结构的处理情况是相同的。

但有两点需要注意:

第一、结构或者类中的静态成员不对结构或者类的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构或者类的实例地址无关。

第二、没有成员变量的结构或类的大小为1，因为必须保证结构或类的每一个实例在内存中都有唯一的地址。

第三、包含虚函数或纯虚函数的类的大小，在32位系统为4，类的内部有一个虚表指针，大小为4。在64位系统为8.

第四、在一个空类中，添加构造函数和析构函数，sizeof的结果还是1。调用构造函数和析构函数只需要知道函数地址就可以了，而函数地址只跟类型有关，与实例无关，编译器也不会因为这两个函数在实例中添加任何额外的信息。

下面举例说明，

Class Test{int a;static double c};//sizeof(Test)=4.

Test *s;//sizeof(s)=4,s为一个指针。

Class test1{ };//sizeof(test1)=1;

class Test2 
{
public:
  virtual void Print(){}
};//sizeof(Test2) = 4;