C语言中关于sizeof(struct)和sizeof(union)

前言

一般32位机器上各个数据类型所占的存储空间如下：

• char：8位（1字节）
• short：16位（2字节）
• int：32位（4字节）
• long：32位（4字节）
• float：32位（4字节）
• double：64位（8字节）

一、先来看struct结构体

请牢记以下3条原则（在没有#pragma pack宏的情况下）：

• 数据成员对齐原则：结构体（struct）的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，之后的每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（前面的若不是当前成员的整数倍，则补齐）（比如int在32位机器上为4字节，所以要从4的整数倍地址开始存储）
• 结构体作为成员：如果一个结构体里同时包含结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储（如struct a里有struct b，b里有char，int，double等元素，那么b应该从8（即double类型的大小）的整数倍开始存储）
• 结构体的总大小：即sizeof的结果。在按之前的对其原则计算出来的大小的基础上，必须还得是其内部最大成员的整数倍（该最大成员包括结构体里面的结构体的最大成员），不足的要补齐（如struct里最大为double，现在计算得到的已经是11，则总大小为16）

具体例子：

typedef struct bb
{
        //[0]....[3]      表示4字节
	int id;
        //[8].....[15]　　　　　　原则1
	double weight;
        //[16]..[19],总长要为8的整数倍,仅对齐之后总长为[0]~[19]为20，补齐[20]...[23]　　原则3
	float height;
}BB;

typedef struct aa  
{  	
        //[0]...[3]　　　　　　　　　　原则1 
	int  id; 
        //[8]....[15]
	double score;
        //[16],[17]
	short grade;
        //[24]......[47]　　　原则2（因为BB内部最大成员为double,即8的整数倍开始存储）  
	BB b;
        //[48][49]
	char name[2]; 
}AA; 

int main()
{
	cout<<sizeof(AA)<<" "<<sizeof(BB)<<endl;
	return 0;
}

输出结果：

56 24

上述结果是在没有#pragma pack(n)宏的情况下，现在来讲讲关于#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：

• 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放方式，即该变量所占用字节数的整数倍；
• 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的整数倍，不用满足默认的对齐方式。

结构体总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型占用的字节数，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；否则必须是n的倍数。

所以在上面的代码前加上一句#pragma pack(1)

则代码输出：

• bb：(0~3)+(4~11)+(12~15)=16;
  
• aa：(0~1)+(2~5)+(6~13)+(14~15)+(16~32)=32

也就是说，#pragma pack(1)就是没有对齐规则。

再考虑#pragma pack(4)

二、union共用体（联合）

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。当一个共同体被声明时，编译程序自动地产生一个变量，其长度为联合中元类型（如数组，取其类型的数据长度）最大的变量的整数倍，且要大于等于其最大成员所占的存储空间。

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

在这个union中，foo的内存空间的长度为12，是int型的3倍，而并不是数组的长度10。若把int改为double，则foo的内存空间为16，是double型的两倍。

union   mm{  
  char   a;  //元长度1     1
  int   b[5];//元长度4     20
  double   c;//元长度8     8
  int   d[3];//            12
};  

所以sizeof(mm) = 8 * 3 = 24（因为int b[5]最大，为20，所以取double * 3 > 20）

当在共用体中包含结构体时，如下：

struct inner
{
   char     c1;
   double   d;
   char     c2;
};
 
union data4
{
     struct   inner t1;
     int           i;
     char        c;
 };

由于data4共用体中有一个inner结构体，所以最大的基本数据类型为double，因此以8字节对齐。共用体的存储长度取决与t1，而t1长度为24，因此sizeof(data4)的值为24。

当在结构体中包含共用体时，共用体在结构体里的对其地址为共用体本身内部所对齐位数。如下：

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

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

sizeof(DATE) = 20，而在结构体中是4+1+3（补齐4对齐）+20+6+2（补齐4对齐）=36；

三、二者区别

• 共用体和结构体都是由多个不同的数据类型成员组成，但在任何同一时刻，共用体只存放了一个被选中的成员，而结构体的所有成员都存在。
• 对于共用体的不同成员赋值，将会对其它成员重写，原来成员的值就不存在了，而对于结构体的不同成员赋值是互不影响的。