为什么 sizeof 在给定的 ctypes 结构打包示例中会有所不同？

Question

如果可以对以下代码的输出给出任何解释，我将不胜感激。我不明白为什么 sizeof(struct_2) 和 sizeof(my_struct_2) 不同，提供 sizeof(struct_1) 和 sizeof(c_int) 相同。

似乎ctypes 以某种不同的方式将struct 包装在struct 中？

from ctypes import *

class struct_1(Structure):
    pass
int8_t = c_int8
int16_t = c_int16
uint8_t = c_uint8
struct_1._fields_ = [
    ('tt1', int16_t),
    ('tt2', uint8_t),
    ('tt3', uint8_t),
]

class struct_2(Structure):
    pass
int8_t = c_int8
int16_t = c_int16
uint8_t = c_uint8
struct_2._fields_ = [
    ('t1', int8_t),
    ('t2', uint8_t),
    ('t3', uint8_t),
    ('t4', uint8_t),
    ('t5', int16_t),
    ('t6', struct_1),
    ('t7', struct_1 * 6),
]

class my_struct_2(Structure):
    #_pack_ = 1  # This will give answer as 34
    #_pack_ = 4  #36
    _fields_ = [
    ('t1', c_int8),
    ('t2', c_uint8),
    ('t3', c_uint8),
    ('t4', c_uint8),
    ('t5', c_int16),
    ('t6', c_int),
    ('t7', c_int * 6),
]

print "size of c_int            : ", sizeof(c_int)
print "size of struct_1         : ", sizeof(struct_1)
print "size of my struct_2      : ", sizeof(my_struct_2)
print "siz of origional struct_2: ", sizeof(struct_2)

输出：

size of c_int            :  4
size of struct_1         :  4
size of my struct_2      :  36  
siz of origional struct_2:  34 ==> why not 36 ??

编辑： 重命名 t6->t7（struct_1 数组）并从 struct_2 中删除 pack=2。但我仍然看到struct_2 和my_struct_2 的大小不同

Answer 1

差异源于结构布局中元素之间或之后是否存在填充，因为当大小不同时，较大的一个占的字节数比所有单个结构成员所需的字节数多。成员t5 和t6 就足以说明区别，如果省略t5（仅）则没有区别。

一个小实验表明，默认情况下（即当未指定 _pack_ 成员时），ctypes 为结构类型 struct_1 提供 2 字节对齐，但为类型 c_int 提供 4 字节对齐。或者它在我的系统上，无论如何。 ctypes 文档声称，默认情况下，它的结构布局方式与系统的 C 编译器（默认情况下）相同，而且似乎确实如此。考虑这个 C 程序：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

int main() {
    struct s {
        int16_t x;
        int8_t  y;
        uint8_t z;
    };
    struct t1 {
        int16_t  x;
        struct s y;
    };
    struct t2 {
        int16_t x;
        int     y;
    };

    printf("The size of int is       %zu\n", sizeof(int));
    printf("The size of struct s  is %zu\n", sizeof(struct s));
    printf("The size of struct t1 is %zu\n", sizeof(struct t1));
    printf("The size of struct t2 is %zu\n", sizeof(struct t2));
    printf("\nThe offset of t1.y is    %zu\n", offsetof(struct t1, y));
    printf("The offset of t2.y is    %zu\n", offsetof(struct t2, y));
}

它对我的输出（在 x86_64 上使用 GCC 4.8 的 CentOS 7 上）是：

int的大小为4
struct s 的大小为 4
struct t1 的大小为 6
struct t2 的大小为 8

t1.y 的偏移量为 2
t2.y 的偏移量为 4

观察int 和struct s 的大小相同（4 个字节），但编译器将struct s 对齐在struct t1 内的2 字节边界上，而它对齐int在struct t2 内的 4 字节边界上。这与同一系统上 ctypes 的行为完美匹配。

至于 为什么 GCC 选择它的对齐方式，我观察到如果我将 int 类型的成员添加到 struct s 然后 GCC 切换到使用 4 字节对齐结构，以及将结构中int 的偏移量（默认情况下）安排为 4 个字节的倍数。可以合理地得出结论，GCC 正在布局结构内的成员并选择整个结构的对齐方式，以便每个对齐的结构实例的所有成员本身自然对齐。但是请注意，这只是一个示例。 C 实现在很大程度上取决于选择结构布局和对齐要求。