C 数组可以在元素之间包含填充吗？

Question

我听说有传言说，在 C 中，包含在结构内部的数组可能在数组元素之间添加了填充。 现在显然，任何一对元素之间的填充量都不能变化，或者使用简单的指针算术不可能计算数组中的下一个元素。

该谣言还指出，不包含在结构中的数组保证不包含填充。 我至少知道那部分是真的。

因此，在代码中，谣言是：

{
    // Given this:
    struct { int values[20]; } foo;
    int values[20];

    // This may be true:
    sizeof(values) != sizeof(foo.values);
}

我非常确定 sizeof(values) 将始终等于 sizeof(foo.values)。 然而，我在 C 标准（特别是 C99）中找不到任何明确证实或否认这一点的内容。

有谁知道这个谣言是否在任何 C 标准中得到解决？

编辑：我知道数组 foo.values 的末尾和结构 foo 的末尾之间可能存在填充，并且标准声明在 foo 的开头和 foo.values 的开头之间不会有填充。 然而，是否有人有一个引用或参考标准，其中说foo.values的元素之间没有填充？

Answer 1

不，数组元素之间永远不会有填充。 这是明确不允许的。 C99 标准将数组类型称为“数组类型描述了连续分配的非空对象集...”。 相比之下，结构是“顺序”分配的，而不是“连续”分配的。

结构中的数组之前或之后可能有填充； 那完全是另一种动物。 编译器可能会这样做以帮助结构对齐，但 C 标准对此没有任何说明。

Answer 2

这里要小心。 填充可以添加在结构的末尾，但不会添加在数组的元素之间，正如您在问题中所述。 数组将始终引用连续的内存，尽管结构数组可能会向每个元素添加填充作为结构本身的一部分。

在您的示例中，values 和 foo.values 数组将具有相同的大小。 任何填充都将成为 struct foo 的一部分。

Answer 3

以下是关于为什么结构可能需要在其成员之间甚至在其最后一个成员之后进行填充，以及为什么数组不需要填充的解释：

不同的类型可能有不同的对齐要求。 某些类型需要在字边界上对齐，其他类型需要在双字甚至四字边界上对齐。 为了实现这一点，结构可以在其成员之间包含填充字节。 可能需要尾部填充字节，因为直接位于结构体中的内存位置也必须符合结构体的对齐要求，即如果 bar 的类型为 struct foo *，则

(struct foo *)((char *)bar + sizeof(struct foo))

生成指向struct foo的有效指针（即不会由于未对齐而失败）。

由于数组的每个“成员”都有相同的对齐要求，因此没有理由引入填充。 这对于结构中包含的数组也适用：如果数组的第一个元素正确对齐，则所有后续元素也正确对齐。

Answer 4

是的，有点像。 变量通常与某个边界对齐，具体取决于变量。 以以下情况为例：

typedef struct
{
    double d;
    char c;
} a_type_t;

在我的系统上，double 和 char 分别是 8 和 1 字节。 总共 9 个。但是，该结构将是 16 个字节，因此双精度数始终是 8 字节对齐的。 如果我刚刚使用了整数、字符等，则对齐方式可能是 1、2、4 或 8。

对于某些类型 T，sizeof(T) 可能等于也可能不等于< /em> sizeof(Ta) + sizeof(Tb) + sizeof(Tc) ... 等。

通常，这完全取决于编译器和体系结构。 实际上，这并不重要。

Answer 5

考虑一下：

struct {
  short s;
  int i;
} s;

假设 Shorts 是 16 位，而您使用的是 32 位，则大小可能为 8 字节，因为每个结构成员倾向于与字（在本例中为 32 位）边界对齐。 我说“可能”是因为它是特定于实现的行为，可以通过编译器标志等来改变。

值得强调的是，这是 C 标准不一定定义的实现行为。 很像 Shorts、Ints 和 Longs 的大小（C 标准只是说 Shorts 不会大于 Ints，Long 不会小于 Ints，最终可能为 16/32/32、16/32/64 、32/32/64 或许多其他配置）。