结构中的成员错位[重复]

Question

在 C 中，有时结构的某些成员往往具有未对齐的偏移量，例如 HPUX community 中的这个线程

在这种情况下，建议使用零宽度位字段来对齐（未对齐）下一个成员。 什么情况下会发生结构件错位？在字边界对齐成员的偏移量不是编译器的工作吗？

Answer 1

只有当结构成员的对齐要求被故意隐藏时，才会发生结构成员的“未对齐”。 （或者如果使用某些特定于实现的机制来抑制对齐，例如 gcc 的 packed 属性。）

例如，在引用的问题中，问题是有一个结构：

struct {
    // ... stuff
    int               val;
    unsigned char     data[DATA_SIZE];
    // ... more stuff
}

并且程序员尝试使用data，就好像它是size_t：

*(size_t*)s->data

但是，程序员已将data 声明为unsigned char，因此编译器仅保证它被对齐以用作unsigned char。

碰巧data 跟在int 之后，因此也与int 对齐。在某些架构上这可行，但在目标架构上，size_t 比 int 大，需要更严格的对齐。

很明显，编译器无法知道您打算使用结构成员，就好像它是其他类型一样。如果您这样做并针对需要正确对齐的架构进行编译，您可能会遇到问题。

引用的线程建议在声明unsigned char 数组之前插入一个长度为零的size_t 位域，以强制数组与size_t 对齐。虽然该解决方案可能适用于目标体系结构，但它是不可移植的，不应在可移植代码中使用。不能保证 0 长度的位字段将占用 0 位，也不能保证基于 size_t 的位字段实际上将存储在 size_t 中或针对任何非位字段进行适当对齐现场使用。

更好的解决方案是使用匿名联合：

// ...
int             val;
union {
  size_t        dummy;
  unsigned char data[DATA_SIZE];
};
// ...

使用 C11，您可以明确指定最小对齐方式：

// ...
int                            val;
_Alignas(size_t) unsigned char data[DATA_SIZE];
// ...

在这种情况下，如果您 #include <stdalign.h>，您可以拼写 _Alignas，其方式也适用于 C++11：

int                            val;
alignas(size_t) unsigned char data[DATA_SIZE];

Answer 2

问：为什么会发生错位？在字边界对齐成员的偏移量不是编译器的工作吗？

您可能知道结构字段与特定边界对齐的原因是为了提高性能。正确对齐的字段可能只需要 CPU 进行一次内存提取操作；其中未对齐的字段将需要至少两次内存提取操作（CPU 时间的两倍）。

正如您所指出的，对齐结构字段以实现最快的 CPU 访问是编译器的工作；除非程序员重写了编译器的默认行为。

那么问题可能是；为什么程序员会覆盖编译器的默认结构字段对齐方式？

程序员想要覆盖默认对齐方式的一个例子是在将结构“通过网络”发送到另一台计算机时。通常，程序员希望将尽可能多的数据打包成最少的字节数。

因此，当结构密度比访问结构字段的 CPU 性能更重要时，程序员将禁用默认对齐方式。