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C语言中内存对齐规则讨论
 
作者:jianjikai 的BLOG 来源:51CTO 发布于:2015-03-10
1580 次浏览     评价:      
 

1.什么是内存对齐?

现代计算机中内存空间都是按着byte划分的,从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始,但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问,这就是需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序的一个接一个的排放,这就是对齐。

2.为什么内存要对齐?

大部分的参考资料都是如是说的:

①、平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。

②、性能原因:数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。

比如有些平台每次读都是从偶数地址开始,如果一个int型(假设为32位)如果存放在偶数开始的地方,那么一个读周期就可以读出,而如果存放在奇地址开始的地方,就可能会需要2个读周期,并对两次独处的结果的高低字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。

3.内存对齐是如何实现的?

通常我们写程序的时候,不需要考虑对齐问题,编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然,我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对制定数据的对齐方法。缺省情况下,编译器为结构体的每个成员按其自然対界条件分配空间。各个成员按照他们被声明的顺序在内存中顺序存储,第一个成员的地址和整个结构的地址相同。自然対界即默认对齐方式,是指按结构体的成员中size最大的成员对齐。

4.内存对齐的规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16来改变这一系数,其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

规则:

1、数据成员对齐规则:结构(struct)(或联合(union))的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员

自身长度中,比较小的那个进行。

2、结构(或联合)的整体对齐规则:在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。

3、结合1、2可推断:当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候,这个n值的大小将不产生任何效果。

5.内存对齐举例

通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”,然后察看sizeof(struct test_t)的值。

1、1字节对齐(#pragma pack(1))

输出结果:sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]

分析过程:

1) 成员数据对齐

#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* 长度4 > 1 按1对齐;起始offset=0 0%1=0;存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 = 1 按1对齐;起始offset=4 4%1=0;存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 > 1 按1对齐;起始offset=5 5%1=0;存放位置区间[5,6] */
char d; /* 长度1 = 1 按1对齐;起始offset=7 7%1=0;存放位置区间[7] */
};
#pragma pack()

成员总大小=8

2) 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]

2、2字节对齐(#pragma pack(2))

输出结果:sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]

分析过程:

1) 成员数据对齐

#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* 长度4 > 2 按2对齐;起始offset=0 0%2=0;存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 2 按1对齐;起始offset=4 4%1=0;存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 = 2 按2对齐;起始offset=6 6%2=0;存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 2 按1对齐;起始offset=8 8%1=0;存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 10 /* 10%2=0 */

3、4字节对齐(#pragma pack(4))

输出结果:sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程:

1) 成员数据对齐

#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* 长度4 = 4 按4对齐;起始offset=0 0%4=0;存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 4 按1对齐;起始offset=4 4%1=0;存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 4 按2对齐;起始offset=6 6%2=0;存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 4 按1对齐;起始offset=8 8%1=0;存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

4、8字节对齐(#pragma pack(8))

输出结果:sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程:

1) 成员数据对齐

#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 8 按4对齐;起始offset=0 0%4=0;存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 8 按1对齐;起始offset=4 4%1=0;存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 8 按2对齐;起始offset=6 6%2=0;存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 8 按1对齐;起始offset=8 8%1=0;存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()

2) 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

5、16字节对齐(#pragma pack(16))

输出结果:sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程:

1) 成员数据对齐

#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 16 按4对齐;起始offset=0 0%4=0;存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 16 按1对齐;起始offset=4 4%1=0;存放位置区间[4] */
short c; /* 长度2 < 16 按2对齐;起始offset=6 6%2=0;存放位置区间[6,7] */
char d; /* 长度1 < 16 按1对齐;起始offset=8 8%1=0;存放位置区间[8] */
};
#pragma pack()

成员总大小=9

2) 整体对齐

整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 16) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

8字节和16字节对齐试验证明了“规则”的第3点:“当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候,这个n值的大小将不产生任何效果”。

6.内存对齐图

#include <iostream>
2 using namespace std;
3
4 struct X1
5 {
6 int i;//4个字节
7 char c1;//1个字节
8 char c2;//1个字节
9 };
10
11 struct X2
12 {
13 char c1;//1个字节
14 int i;//4个字节
15 char c2;//1个字节
16 };
17
18 struct X3
19 {
20 char c1;//1个字节
21 char c2;//1个字节
22 int i;//4个字节
23 };
24 int main()
25 {
26 cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";
27 cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";
28 cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";
29 cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";
30
31 X1 x1;
32 X2 x2;
33 X3 x3;
34 cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";
35 cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";
36 cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";
37 return 0;
38 }

这段程序的功能很简单,就是定义了三个结构X1,X2,X3,这三个结构的主要区别就是内存数据摆放的顺序,其他都是一样的,另外程序输入了几种基本类型所占用的字节数,以及我们这里的三个结构所占用的字节数。

这段程序的运行结果为:

long 4
2 float 4
3 int 4
4 char 1
5 x1 的大小 8
6 x2 的大小 12
7 x3 的大小 8

内存是一个连续的块,我们可以用下面的图来表示, 它是以4个字节对一个对齐单位的:

让我们看看三个结构在内存中的布局:

首先是 X1,如下图所示

X1 中第一个是 Int类型,它占有4字节,所以前面4格就是满了,然后第二个是char类型,这中类型只占一个字节,所以它占有了第二个4字节组块中的第一格,第三个也是char类型,所以它也占用一个字节,它就排在了第二个组块的第二格,因为它们加在一起大小也不超过一个块,所以他们三个变量在内存中的结构就是这样的,因为有内存分块对齐,所以最后出来的结果是8,而不是6,因为后面两个格子其实也算是被用了。

再次看看X2,如图所示

X2中第一个类型是Char类型,它占用一个字节,所以它首先排在第一组块的第一个格子里面,第二个是Int类型,它占用4个字节,第一组块已经用掉一格,还剩3格,肯定是无法放下第二Int类型的,因为要考虑到对齐,所以不得不把它放到第二个组块,第三个类型是Char类型,跟第一个类似。所因为有内存分块对齐,我们的内存就不是8个格子了,而是12个了。

再看看X3,如下图所示:

关于X3的说明其实跟X1是类似的,只不过它把两个1个字节的放到了前面,相信看了前面两种情况的说明这里也是很容易理解的。

   
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