.net托管环境下struct实例字段的内存布局(Layout)和大小(Size)

    在C/C++中，struct类型中的成员的一旦声明，则实例中成员在内存中的布局(Layout)顺序就定下来了，即与成员声明的顺序相同，并且在默认情况下总是按照结构中占用空间最大的成员进行对齐(Align)；当然我们也可以通过设置或编码来设置内存对齐的方式，有关C/C++中(设置)内存对齐的讨论，可以参考我以前写的一篇面试手记《总结面试时没有回答上的设置内存对齐方式问题》。

    然而在.net托管环境中，CLR提供了更自由的方式来控制struct中Layout：我们可以在定义struct时，在struct上运用StructLayoutAttribute特性来控制成员的内存布局。默认情况下，struct实例中的字段在栈上的布局(Layout)顺序与声明中的顺序相同，即在struct上运用[StructLayoutAttribute(LayoutKind.Sequential)]特性，这样做的原因是结构常用于和非托管代码交互的情形。如果我们正在创建一个与非托管代码没有任何互操作的struct类型，我们很可能希望改变C#编译器的这种默认规则，因此LayoutKind除了Sequential成员之外，还有两个成员Auto和Explicit，给StructLayoutAttribute传入LayoutKind.Auto可以让CLR按照自己选择的最优方式来排列实例中的字段；传入LayoutKind.Explicit可以使字段按照我们的在字段上设定的FieldOffset来更灵活的设置字段排序方式，但这种方式也挺危险的，如果设置错误后果将会比较严重。下面就看几个示例，算下四个struct各占多少Byte？

1.[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]

struct StructDeft//C#编译器会自动在上面运用[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
...{
    bool i;  //1Byte
    double c;//8byte
    bool b;  //1byte
}    

    sizeof(StructDeft)得到的结果是24byte！啊哈，本身只有10byte的数据却占有了24byte的内存，这是因为默认(LayoutKind.Sequential)情况下，CLR对struct的Layout的处理方法与C/C++中默认的处理方式相同，即按照结构中占用空间最大的成员进行对齐(Align)。10byte的数据却占有了24byte，严重地浪费了内存，所以如果我们正在创建一个与非托管代码没有任何互操作的struct类型，最好还是不要使用默认的StructLayoutAttribute(LayoutKind.Sequential)特性。

 

2.[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
struct BadStruct
...{
    [FieldOffset(0)]
    public bool i;  //1Byte
    [FieldOffset(0)]
    public double c;//8byte
    [FieldOffset(0)]
    public bool b;  //1byte
}

    sizeof(BadStruct)得到的结果是9byte，显然得出的基数9显示CLR并没对结构体进行任何内存对齐(Align)；本身要占有10byte的数据却只占了9byte，显然有些数据被丢失了，这也正是我给struct取BadStruct作为名字的原因。如果在struct上运用了[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]，计算FieldOffset一定要小心，例如我们使用上面BadStruct来进行下面的测试：

StructExpt e = new StructExpt();
e.c = 0;
e.i = true;
Console.WriteLine(e.c);

    输出的结果不再是0了，而是4.94065645841247E-324，这是因为e.c和e.i共享同一个byte，执行“e.i = true;时”也改变了e.c，CPU在按照浮点数的格式解析e.c时就得到了这个结果。(有关浮点数讨论可以参考我以前写的《精确判断一个浮点数是否等于0》)。所以在运用LayoutKind.Explicit时千万别吧FieldOffset算错了:)

 

3.[StructLayout(LayoutKind.Auto)]

    sizeof(StructAuto)得到的结果是12byte。下面来测试下这StructAuto的三个字段是如何摆放的：

unsafe
...{
      StructAuto s = new StructAuto();
      Console.WriteLine(string.Format("i:{0}", (int)&(s.i)));
      Console.WriteLine(string.Format("c:{0}", (int)&(s.c)));
      Console.WriteLine(string.Format("b:{0}", (int)&(s.b)));
}
// 测试结果：
i:1242180
c:1242172
b:1242181

    即CLR会对结构体中的字段顺序进行调整，将i调到c之后，使得StructAuto的实例s占有尽可能少的内存，并进行4byte的内存对齐(Align)，字段顺序调整结果如下图所示：

 

4.空struct实例的Size

struct EmptyStruct...{}

    无论运用上面LayoutKind的Explicit、Auto还是Sequential，得到的sizeof(EmptyStct)都是1byte。

 

结论：

默认(LayoutKind.Sequential)情况下，CLR对struct的Layout的处理方法与C/C++中默认的处理方式相同，即按照结构中占用空间最大的成员进行对齐(Align)；

使用LayoutKind.Explicit的情况下，CLR不对结构体进行任何内存对齐(Align)，而且我们要小心就是FieldOffset；

使用LayoutKind.Auto的情况下，CLR会对结构体中的字段顺序进行调整，使实例占有尽可能少的内存，并进行4byte的内存对齐(Align)。