四、复杂数据类型中sizeof及其数据对齐问题
（1）、union的sizeof问题与cpu的对界
考虑下面问题：（默认对齐方式）
1 union u //8对齐
2 {
3 double a;
4 int b;
5 };
6
7 union u2 //4对齐
8 {
9 char a[13];
10 int b;
11 };
12
13 union u3 //1对齐
14 {
15 char a[13];
16 char b;
17 };
18
19 cout<<sizeof(u)<<endl; // 8
20 cout<<sizeof(u2)<<endl; // 16
21 cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13
22
都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4(4字节对齐)，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。
结论：复合数据类型，如union，struct，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。
编译器对界：
首先解释下CPU对界问题，32的C++采用8位对界来提高运行速度，所以编译器会尽量把数据放在它的对界上以提高内存命中率。
通过程序可以改变编译器对界，使用#pragma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式，默认是8。
编译器对界与实际对界判决原则：
C++固有类型的对界取编译器对界方式（默认或指定)与自身大小中较小的一个.例如，指定编译器按2对界，int类型的大小是4，则int的对界为2和4中较小的2。
在默认的对界方式下，因为几乎所有的数据类型都不大于默认的对界方式8（除了long double），所以所有的固有类型的对界方式可以认为就是类型自身的大小。
更改一下上面的程序：
1 #pragma pack(2)
2 union u2
3 {
4 char a[13];
5 int b;
6 };
7
8 union u3
9 {
10 char a[13];
11 char b;
12 };
13 #pragma pack(8)
14
15 cout<<sizeof(u2)<<endl; // 14
16 cout<<sizeof(u3)<<endl; // 13
17
由于手动更改对界方式为2，所以int的对界也变成了2，u2的对界取成员中最大的对界，也是2了，所以此时sizeof(u2)=14。
结论：C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。
（2）、struct的sizeof问题
因为对齐问题使结构体的sizeof变得比较复杂，看下面的例子：(默认对齐方式下)
1 struct s1
2 {
3 char a;
4 double b;
5 int c;
6 char d;
7 };
8
9 struct s2
10 {
11 char a;
12 char d;
13 int c;
14 double b;
15 };
16
17 cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24
18 cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16
19
这里数据对齐与struct中元素的顺序相关. 上面例子中只是改变了struct中成员的定义顺序
同样是两个char类型，一个int类型，一个double类型，但是因为对界问题，导致他们的大小不同。
计算结构体大小可以采用元素摆放法，我举例子说明一下：首先，CPU判断结构体的对界，根据上一节的结论，s1和s2的对界都取最大的元素类型，也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元素。
对于s1，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲的地址是1，但是下一个元素d是double类型，要放到8的对界上，离1最接近的地址是8了，所以d被放在了8，此时下一个空闲地址变成了16，下一个元素c的对界是4，16可以满足，所以c放在了16，此时下一个空闲地址变成了20，下一个元素d需要对界1，也正好落在对界上，所以d放在了20，结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数，所以21-23的空间被保留，s1的大小变成了24。
对于s2，首先把a放到8的对界，假定是0，此时下一个空闲地址是1，下一个元素的对界也是1，所以b摆放在1，下一个空闲地址变成了2；下一个元素c的对界是4，所以取离2最近的地址4摆放c，下一个空闲地址变成了8，下一个元素d的对界是8，所以d摆放在8，所有元素摆放完毕，结构体在15处结束，占用总空间为16，正好是8的倍数。
总结：这里计算sizeof既要考虑数据对齐(整体上最大元素的size对齐，满足之后还要满足struct中其他元素的对齐)，又要考虑最节约存储空间的原则。
责任编辑：小草
