我从这个 K&R 样本中遗漏了什么？答案

【问题标题】：What am I missing from this K&R sample?我从这个 K&R 样本中遗漏了什么？
【发布时间】：2011-03-22 20:09:33
【问题描述】：

以下是 K&R 的 C 编程语言（第 8.7 节）中代码示例的摘录：

typedef long Align;

union header {
    struct {
        union header *ptr;
        unsigned size;
    } s;
    Align x;
};

typedef union header Header;

这里是解释性摘录：

为了简化对齐，所有块都是标头大小的倍数，以及标题正确对齐。这是通过包含所需的标题结构和一个最严格类型的实例，这是我们任意弄长的。

因此，据我了解，这个想法是确保header 实例占用的字节数是sizeof(Align) 的倍数。这个目标对我来说很有意义。

但是考虑long是64位，int是32位，指针是64位的情况。在这种情况下，header.s 将是 64+32 = 96 位。因此，sizeof(header) 将是 96 位，而不是预期的 64 的倍数。

在这种情况下，我想有必要将Align 定义为其他东西（也许是double）。但我不太确定我是否完全理解什么会决定特定架构的选择。它只是“最大”的类型吗？如果long 是最大的类型怎么办？它不能按照我上面描述的方式工作吗？

谢谢

【问题讨论】：

标签： c memory

【解决方案1】：

编译器将调整header 的大小，以便ptr、size 和x 都可以从header[] 数组中的元素中高效检索。在大多数架构上，x 的存在意味着sizeof(header) 将增加到sizeof(long) 的倍数。

【讨论】：

【解决方案2】：

联合的大小至少与其最大成员的大小一样大。因此，即使 sizeof(s) 是 12 并且 sizeof(long) 是 8，如您的示例中那样，您仍然会有 sizeof(header) >= 12。同样，联合的对齐是其任何成员的最大对齐，因此long 成员的存在确保header 的对齐至少是long 的对齐，在这种情况下为8 .

如果你编译这段代码，你几乎肯定会发现sizeof(header)是16，而不是12。原因是如果你有一个header对象的数组，编译器需要确保任何一个对齐成员是正确的，并且数组连续存储在内存中。为了实现这一点，大小需要是对齐的倍数。编译器通过在 header 对象的末尾添加额外的 4 字节填充来实现这一点。

【讨论】：

【解决方案3】：

我已经很久没有使用结构体了。但是，我确实使用了它们。主要原则是按对齐大小降序排列成员。

在编写本文时，long 将与最大的寻址边界对齐。我相信情况仍然如此，但我很长时间没有关注硬件问题。一些硬件被设计成不能有效地寻址 long，除非它们的地址与 long 的大小对齐。

我相信其意图是标题将在下一个有效寻址边界上对齐很长一段时间。这取决于硬件。如果 long 可在 32 位边界上有效寻址，则结构将适当对齐。如果 long 只能在 64 位边界上有效寻址，则结构将消耗 128 位以进行适当对齐。

【讨论】：

成员永远不会重新排列或重新排序——这是 C 标准所禁止的。相反，编译器可以（并且经常这样做）在成员之间和最后一个成员之后插入填充字节，以使对齐更有利。
@Adam Rosefield：因此，当程序员创建结构时，他们会以递减的对齐大小排列字段。我无意暗示编译器会这样做。 byte, long, byte, long 将是空间效率低下。 long, long, byte, byte 会更节省空间。如今，空间效率已不再是一个问题。

【解决方案4】：

自从我阅读 K&R 书以来已经很久（太久了），但我相信你是对的。您需要 typedef Align 到至少是相关平台上指针大小 + sizeof unsigned 的东西。

我的猜测是，在编写（以及最后一次更新）本文时，32 位操作系统占据了至高无上的地位，而您的场景却逃脱了作者和编辑的关注。当然，他们更聪明/更聪明，我和我可能会偏离目标。

【讨论】：

更糟糕的是：当 K&R 上次更新时，(int) 仍然是 16 位。（嗯，就是 ANSI K&R 之前的版本。我想知道这是否曾经被重新审视过。）

【解决方案5】：

正确地说，sizeof(Align) 必须大于或等于 sizeof(s)。但是今天的编译器真的不在乎，而是为您完成这项工作。

#include <limits.h>
#include <stdio.h>

typedef long Align;

typedef union header {
    struct {
        union header *ptr;  /* 64 bits */
        unsigned size;    /* 32 bits */
    } s;                    /* subtotal 96 */
    Align x;                /* 64 bits -> should be greater than 96 */
} Header;                  /* total 128 bits */

typedef struct hair {
    union header *ptr;  /* 64 bits */
    unsigned size;      /* 32 bits */
} Hair;              /* subtotal 96 */

int main(void)
{
    Header u;
    Hair h;

    printf("char %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(char)*CHAR_BIT,(sizeof(char)*CHAR_BIT)/8);
    printf("unsigned %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(unsigned)*CHAR_BIT,(sizeof(unsigned)*CHAR_BIT)/8);
    printf("int %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(int) * CHAR_BIT, (sizeof(int) * CHAR_BIT)/8);
    printf("long int %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(long) * CHAR_BIT, (sizeof(long) * CHAR_BIT)/8);
    printf("long long int %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(long long) * CHAR_BIT, (sizeof(long long) * CHAR_BIT)/8);
    printf("float %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(float) * CHAR_BIT, (sizeof(float) * CHAR_BIT)/8);
    printf("double %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(double) * CHAR_BIT, (sizeof(double) * CHAR_BIT)/8);
    printf("long double %ld bits, %ld bytes\n\n", sizeof(long double) * CHAR_BIT, (sizeof(long double) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Header u %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(u) * CHAR_BIT, (sizeof(u) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Header *ptr %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(u.s.ptr) * CHAR_BIT, (sizeof(u.s.ptr) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Header size %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(u.s.size) * CHAR_BIT, (sizeof(u.s.size) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Header x %ld bits, %ld bytes\n\n", sizeof(u.x) * CHAR_BIT, (sizeof(u.x) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Hair h %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(h) * CHAR_BIT, (sizeof(h) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Hair *ptr %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(h.ptr) * CHAR_BIT, (sizeof(h.ptr) * CHAR_BIT)/8);
    printf("Hair size %ld bits, %ld bytes\n", sizeof(h.size) * CHAR_BIT, (sizeof(h.size) * CHAR_BIT)/8);
    return 0;
}

输出是：

$ ./union-limits 
char 8 bits, 1 bytes
unsigned 32 bits, 4 bytes
int 32 bits, 4 bytes
long int 64 bits, 8 bytes
long long int 64 bits, 8 bytes
float 32 bits, 4 bytes
double 64 bits, 8 bytes
long double 128 bits, 16 bytes

Header u 128 bits, 16 bytes
Header *ptr 64 bits, 8 bytes
Header size 32 bits, 4 bytes
Header x 64 bits, 8 bytes

Hair h 128 bits, 16 bytes
Hair *ptr 64 bits, 8 bytes
Hair size 32 bits, 4 bytes

如您所见，Hair 与 Header 大小相同。但是对于不做这项工作的编译器，正确的做法是使用 long double 作为 Align。

保重，贝科。

【讨论】：