構造体のサイズを確認してみたことはありますか？ 構造体をファイルに保存したことはありますか？ やけにサイズが大きかったり、ゴミが保存されたりはしませんでしたか？ 今回は、そういうことがなぜ起こるのかについてのお話です。
では、今回の要点です。
では、いってみましょう。
次のような構造体を考えてみましょう。
strcut SPerson
{
char szName[21]; // 名前
int nAge; // 年齢
char nBirthmonth; // 誕生月
char fSex; // 性別
};
さて、問題です。この構造体のサイズはいくらになるでしょうか？
先ず、szName のサイズは２１バイトです。そして、nAge のサイズは（３２ビット機であれば）４バイトで、nBirthmonth と fSex のサイズはそれぞれ１バイトずつです。なので、合計２７バイトであると思われます。
さぁ、実際に確かめてみましょう。
| プログラム | 実行結果 |
|---|---|
// Align1.cpp
#include <iostream.h>
struct SPerson
{
char szName[21]; // 名前
int nAge; // 年齢
char nBirthmonth; // 誕生月
char fSex; // 性別
};
int main()
{
cout << "SPerson のサイズは " << sizeof SPerson
<< " バイトです。" << endl;
return 0;
} |
SPerson のサイズは 32 バイトです。 |
あれ？ ５バイトも多いですね。これは一体どうしたことでしょうか？
確かにメンバのサイズの合計は２７バイトです。しかし、構造体のサイズは３２バイトである。つまり、どこかに５バイト余計なデータが入っていることになります。
このデータのことをパディング（詰め物）と呼びます。実は、szName の後ろに３バイト、fSex の後ろに２バイト入っています。
このように、構造体のメンバはぎっちりと詰まっているわけではないことがあるのです。しかし、こうなっていないこともあります。そして、この詰まり方がちょっと違うこともありますし、違えることができることもあります。
ということで、構造体のメンバがぎっちり詰まっていると仮定したプログラムはバグです。ぎっちり詰めるようになっている環境で作っているとバグには気が付きませんが、いざ別の環境でコンパイルしてみるととんでもない動作を行うということもあるでしょう。
こうならないようにぎっちり詰めるように指定することもできるのですが、それは後で話します。
それでは、何でこんな変な詰め物を入れているのでしょうか？ それは、ＣＰＵの特性が関わっています。（なので、ＣＰＵによってはこのようなことをしても意味がないこともあるでしょう。）
多くの（推測）ＣＰＵは、メモリにアクセスするときにはint のサイズごとにアクセスします。例えば３２ビット機では、メモリを４バイトずつに区切ったその１つ１つの単位でアクセスするのです。この区切りを４バイト境界と呼びます。１６ビット機では２バイト境界、６４ビット機では８バイト境界が重要になります。（面倒なので、今からは３２ビット機であるとして話します。）
このため、この４バイト境界をまたぐデータを扱うためには、メモリに２回アクセスしなければなりません。つまり、この境界をまたがないようにデータを置いておくと、データのアクセスが速くなります。このことをアラインすると呼びます。
構造体のデータがぎっちり詰まっていないのは、データがアラインされているからなのです。変数の先頭は４バイト境界に揃えられているのが普通で、メンバ変数を構造体の先頭からアラインしておくと、実際にメモリ上に確保されたときもアラインされているようになります。
int は４バイトなので、４バイト境界に揃えられます。short は２バイトなので、２バイト境界に揃えたので問題ありません。char はバイト境界を気にしなくても、常に１回でアクセスできます。double は８バイトなので、一応同じように８バイト境界に揃えられます。
しかし、これらはコンパイラによって変わることもあるでしょう。コンパイラの設定を変えることによって、変えることができることもあります。そして、ソースコード中で変える方法も用意されていることもあります（用意されていないこともあります）。
このアラインする方法（アラインメント）を変える、つまり最大何バイト境界に揃えるかを変える命令は #pragma です。
#pragma というのは機種依存のいろいろな設定を行う命令なので、この命令のできることはコンパイラによって異なります。なので、#pragma でアラインメントを変えることができるコンパイラもあれば、変えられないコンパイラもあります。
#pragma の後にはさらに設定の種類を表す命令がくるのですが、設定する項目が同じであっても命令はコンパイラによって変わります（同じこともあるかもしれませんが）。自分はＶＣ＋＋を使っているので、例によってＶＣ＋＋を例にとって話します。
ＶＣ＋＋では #pragma pack というものでアラインメントを変えられます。
| プログラム | 実行結果 |
|---|---|
// Align1b.cpp
#include <iostream.h>
#pragma pack(1)
struct SPerson
{
char szName[21]; // 名前
int nAge; // 年齢
char nBirthmonth; // 誕生月
char fSex; // 性別
};
#pragma pack()
int main()
{
cout << "SPerson のサイズは " << sizeof SPerson
<< " バイトです。" << endl;
return 0;
} |
SPerson のサイズは 27 バイトです。 |
#pragma pack(<最大バイト単位>) でアラインメントを変えることができます。１，２，４，８，１６の中から選ぶことができます。
そして、#pragma pack() で設定を元に戻せます。
次は、メンバ変数の構造体の先頭からの位置を取得してみましょう。例えば、
strcut SPerson
{
char szName[21]; // 名前
int nAge; // 年齢
char nBirthmonth; // 誕生月
char fSex; // 性別
};
の nBirthmonth はどうでしょうか？
えーと、sizeof szName + sizeof nAge でしょうか？ と、これではあっていることも、間違っていることもあります。これでは不正確ですね。バグです。
それとも、第１部第５０章の４の倍数に揃えた値を求めるコードを使って、((sizeof szName + 3) &~ 3) + sizeof nAge でしょうか？ これも不正確ですね。
このようなときのために、stddef.h というヘッダファイルに offsetof というマクロが定義されています。
offsetof(SPerson, nBirthmonth)
とすれば、nBirthmonth の SPerson の先頭からの位置が取得できます。
このマクロの定義を見てみましょう。
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
先ず、ヌルポインタを指定した構造体へのポインタでキャストしています。それから指定したメンバ変数を指定し、そのアドレスを取っています。最後に size_t（unsigned int の同義語で、sizeof の返す値の型を表す）でキャストしています。
つまり、「構造体の先頭アドレスを０としたときのメンバ変数のアドレス」を返しているわけです。もちろん、これは「メンバ変数の構造体の先頭からの位置」に相当します。うまいもんですね。
では、今回の要点です。
今回はちょっと長かったですね。次回もどうなることやら（汗）。
Last update was done on 2000.9.7
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