是否保证 C 中的数组元素将连续存储，没有填充？答案

【问题标题】：Is it guaranteed that array elements in C will be stored consecutively, with no padding?是否保证 C 中的数组元素将连续存储，没有填充？
【发布时间】：2017-10-01 15:30:29
【问题描述】：

换句话说：如果我有一个这样分配的数组，是否可以保证：

void *arr = calloc(nmemb, sizeof(some_type))

那么elta、eltb、eltc都将指向内存中的同一位置，这将是该数组的some_type类型的第二个元素？

some_type *elta = &((some_type*)arr)[1];
some_type *eltb = ((some_type*)arr)+1;
some_type *eltc = (char*)arr+sizeof(some_type);

我问这个的原因是因为我试图在 C 中做一个“容器”，如果这不成立，那么我不知道如何返回指向任何其他元素的指针，而不是第一个。

【问题讨论】：

为什么会有一些填充？当您malloc(nmemb * sizeof(some_type)) 时，您没有填充。
数组在哪里？
((some_type*)arr)++ 你不能后增右值。
再问，这里的数组在哪里？
@gaazkam 指针不是数组，请注意。 :)

标签： c arrays padding memory-alignment pointer-arithmetic

【解决方案1】：

是的，这是有保证的。如果添加了填充字节，它们会被添加在struct some_type中，而不是在两个数组元素之间。

E. g.：

struct S
{
    int n;
    short s;

// this is just for illustration WHERE byte padding (typically) would occur!!!
#if BYTE_ALIGNMENT >= 4
    unsigned char : 0;
    unsigned char : 0;
#endif
};
struct S s[2];
size_t d = (char*)(s + 1) - (char*)s;

将字节对齐调整为 4 或 8（甚至更大的 2 次方），此结构的大小将为 8，d 将同样为 8，字节对齐设置为 1 或 2，结构的大小为 6就像 d...

注意：这不是唯一可能出现填充字节的地方：如果您切换成员 n 和 s，则在 s 和 n 之间需要填充字节以使 n 正确对齐.另一方面，在 n 之后不再需要填充字节，因为结构大小已经可以确保正确对齐。

参考标准：C11, 6.2.5.20：

数组类型描述了具有特定成员对象类型（称为元素类型）的连续分配非空对象集。 36) 数组类型的特征在于它们的元素类型和数组中元素的数量。 [...]

（由我突出显示！）。

【讨论】：

这个语法是什么：unsigned char : 8;？我以前从未见过这样的语法。
什么是BYTE_ALIGNMENT？字节与字节以外的任何东西对齐，即1。 short 和 unsigned char` 之间不一定有填充 - 通常没有。
@gaazkam 这是bit-field。我用它来添加匿名字节...
@Olaf 好吧，看我的评论：“这只是为了说明会发生字节填充的地方”——宏不存在，当然，它应该代表编译器设置，以及 unsigned char位字段被认为表示填充字节。这不是很明显吗？
@Aconcagua：填充字节可以出现在结构中的 any 字段之后。无法保证特定布局。这取决于目标平台的实现和 ABI。另请注意，C99 不是 C 标准。它在 6 年前随着 C11 的发布而被取消。

【解决方案2】：

数据对齐是一个复杂的问题，如下例所示（你甚至可以画出来做自己的实验）：

#include <stdio.h>
struct A {  /* no padding */
    char a[3];
};
struct B {
    int  a;
    char b[3];
    /* one byte of padding (in 32bit arch) added here */
};
struct C {  /* no padding again */
    char a[4];
    char b[3];
};

struct D {
    char a[3];
    /* one byte of padding to ensure alignment of next field */
    int  b;
    char c[3];
    /* one byte of padding to ensure alignment of whole struct in arrays */
}

#define P(X) printf("sizeof struct %s == %ld\n", #X, sizeof (struct X))
int main()
{
    P(A);
    P(B);
    P(C);
    P(D);
} /* main */

如您所见，struct A 类型所需的对齐方式（1 个字节）允许将其放置在内存中的任何位置，并确定不需要填充字节来确定 sizeof 值。

在第二个示例中，我们引入了一个 int 值，它强制整个 struct 字对齐（因此 int 可以在正确对齐的内存地址中访问）所以这一次，编译器填充了（在结构的末尾）以获得额外的字节，因此指定类型的任何数组类型都会正确对齐，并且其 int 字段在有效地址处被访问。

在第三个示例中，我说明了第二个示例中填充的效果是由于结构中存在int 字段，因为第三个示例具有相同大小的字段，但这次不需要对齐字段，所以没有插入填充，因为里面的所有单个数据类型都需要对齐 1。

输出（在我的系统上，MAC OSX 系统上）是：

sizeof struct A == 3
sizeof struct B == 8
sizeof struct C == 7
sizeof struct D == 12

【讨论】：