c++內(nèi)存中字節(jié)對齊問題詳解

1、c+內(nèi)存中字節(jié)對齊問題詳解一、什么是字節(jié)對齊 , 為什么要對齊 ?現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照 byte 劃分的,從理論上講似乎對任何類型 的變量的訪問可以從任何地址開始, 但實(shí)際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng) 常在特 定的內(nèi)存地址訪問,這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排 列,而不是順序的一個接一個的排放,這就是對齊。對齊的作用和原因:各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。 一些 平臺對某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取。 比如有些架構(gòu)的 CPU 在訪問 一個沒有進(jìn)行對齊的變量的時候會發(fā)生錯誤 , 那么在這種架構(gòu)下編程必 須保證字節(jié)對齊 . 其他平臺可能沒有這種情況

2、,但是最常見的是如果不按照適合 其平臺要求對 數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對齊,會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每 次讀都是從偶地址開始, 如果一個 int 型 (假設(shè)為 32位系統(tǒng) 如果存放在偶地址 開始的地方,那 么一個讀周期就可以讀出這 32bit ,而如果存放在奇地址開始的 地方, 就需要 2個讀周期, 并對兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該 32bit 數(shù) 據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。二、請看下面的結(jié)構(gòu):struct MyStructdouble dda1;char dda;int type;對結(jié)構(gòu) MyStruct 采用 sizeof 會出現(xiàn)什么結(jié)果呢? sizeof(MyStruc

3、t為多少呢?也許 你會這樣求:sizeof(MyStruct=sizeof(double+sizeof(char+sizeof(int=13但是當(dāng)在 VC 中測試上面結(jié)構(gòu)的大小時,你會發(fā)現(xiàn) sizeof(MyStruct為 16。你知 道為什么在 VC 中會得出這樣一個結(jié)果嗎?其實(shí),這是 VC 對變量存儲的一個特殊處理。為了提高 CPU 的存儲速度, VC 對 一些變量的起始地址做了“對齊”處理。在默認(rèn)情況下, VC 規(guī)定各成員變量存 放的起始地址相對于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量的類型所占用的字 節(jié)數(shù)的倍數(shù)。下面列出常用類型的對齊方式 (vc6.0,32位系統(tǒng) 。類型對齊方式(變量存放

4、的起始地址相對于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量Char偏移量必須為 sizeof(char即 1的倍數(shù)int偏移量必須為 sizeof(int即 4的倍數(shù)float偏移量必須為 sizeof(float即 4的倍數(shù)double偏移量必須為 sizeof(double即 8的倍數(shù)Short偏移量必須為 sizeof(short即 2的倍數(shù)各成員變量在存放的時候根據(jù)在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序依次申請空間, 同時按照上面 的對齊方式調(diào)整位置,空缺的字節(jié) VC 會自動填充。同時 VC 為了確保結(jié)構(gòu)的大 小為結(jié)構(gòu)的字節(jié)邊界數(shù) (即該結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù) 的倍 數(shù), 所以在為最后一個成員變量申請空間后,

5、 還會根據(jù)需要自動填充空缺的字節(jié)。 下面用前面的例子來說明 VC 到底怎么樣來存放結(jié)構(gòu)的。struct MyStructdouble dda1;char dda;int type;為上面的結(jié)構(gòu)分配空間的時候, VC 根據(jù)成員變量出現(xiàn)的順序和對齊方式,先為 第一個成員 dda1分配空間,其起始地址跟結(jié)構(gòu)的起始地址相同(剛好偏移量 0剛好為 sizeof(double的倍數(shù) , 該成員變量占用 sizeof(double=8個字節(jié); 接下來 為第二個成員 dda 分配空間, 這時下一個可以分配的地址對于結(jié)構(gòu)的起始地址的 偏移量為 8,是 sizeof(char的倍數(shù),所以把 dda 存放在偏移量為

6、 8的地方滿足對 齊方式,該成員變量占用 sizeof(char=1個字節(jié);接下來為第三個成員 type 分配 空間, 這時下一個可以分配的地址對于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量為 9, 不是 sizeof (int=4的倍數(shù),為了滿足對齊方式對偏移量的約束問題, VC 自動填充 3個字節(jié) (這三個字節(jié)沒有放什么東西 ,這時下一個可以分配的地址對于結(jié)構(gòu)的起始地 址的偏移量為 12,剛好是 sizeof(int=4的倍數(shù),所以把 type 存放在偏移量為 12的地方,該成員變量占用 sizeof(int=4個字節(jié);這時整個結(jié)構(gòu)的成員變量已經(jīng)都 分配了空間,總的占用的空間大小為:8+1+3+4=16,剛好

7、為結(jié)構(gòu)的字節(jié)邊界數(shù) (即結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù) sizeof(double=8 的倍數(shù), 所以 沒有空缺的字節(jié)需要填充。所以整個結(jié)構(gòu)的大小為:sizeof(MyStruct=8+1+ 3+4=16,其中有 3個字節(jié)是 VC 自動填充的,沒有放任何有意義的東西。 下面再舉個例子,交換一下上面的 MyStruct 的成員變量的位置,使它變成下面 的情況:struct MyStructchar dda;double dda1;int type;這個結(jié)構(gòu)占用的空間為多大呢?在 VC6.0環(huán)境下,可以得到 sizeof(MyStruc為 24。 結(jié)合上面提到的分配空間的一些原則, 分析下

8、 VC 怎么樣為上面的結(jié)構(gòu)分配 空間的。 (簡單說明struct MyStructchar dda;/偏移量為 0,滿足對齊方式, dda 占用 1個字節(jié);double dda1;/下一個可用的地址的偏移量為 1,不是 sizeof(double=8/的倍數(shù),需要補(bǔ)足 7個字節(jié)才能使偏移量變?yōu)?8(滿足對齊 /方式 ,因此 VC 自動填充 7個字節(jié), dda1存放在偏移量為 8 /的地址上,它占用 8個字節(jié)。int type; /下一個可用的地址的偏移量為 16,是 sizeof(int=4的倍/數(shù),滿足 int 的對齊方式,所以不需要 VC 自動填充, type 存 /放在偏移量為 16的地

9、址上,它占用 4個字節(jié)。; /所有成員變量都分配了空間,空間總的大小為 1+7+8+4=20,不是結(jié)構(gòu) /的節(jié)邊界數(shù)(即結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù) sizeof/(double=8的倍數(shù),所以需要填充 4個字節(jié),以滿足結(jié)構(gòu)的大小為/sizeof(double=8的倍數(shù)。所以該結(jié)構(gòu)總的大小為:sizeof(MyStruc為 1+7+8+4+4=24。其中總的有 7+4=11個字節(jié)是 VC 自動填充的,沒有放任何有意義的東西。VC 對結(jié)構(gòu)的存儲的特殊處理確實(shí)提高 CPU 存儲變量的速度, 但是有時候也帶來 了一些麻煩, 我們也屏蔽掉變量默認(rèn)的對齊方式, 自己可以設(shè)定變量的對齊方式。 V

10、C 中提供了 #pragma pack(n來設(shè)定變量以 n 字節(jié)對齊方式。n 字節(jié)對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況:第一、 如果 n 大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù), 那么偏移量必須滿足默認(rèn)的 對齊方式。第二、如果 n 小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù),那么偏移量為 n 的倍數(shù), 不用滿足默認(rèn)的對齊方式。結(jié)構(gòu)的總大小也有個約束條件,分下面兩種情況:如果 n 大于所有成員變量類型所占用的字節(jié)數(shù), 那么結(jié)構(gòu)的總大小必須為占 用空間最大的變量占用的空間數(shù)的倍數(shù);否則必須為 n 的倍數(shù)。下面舉例說明其用法。#pragma pack(push /保存對齊狀態(tài)#pragma pack(4/設(shè)定為

11、 4字節(jié)對齊struct testchar m1;double m4;int m3;#pragma pack(pop/恢復(fù)對齊狀態(tài)以上結(jié)構(gòu)的大小為 16, 下面分析其存儲情況, 首先為 m1分配空間, 其偏移 量為 0,滿足我們自己設(shè)定的對齊方式(4字節(jié)對齊 , m1占用 1個字節(jié)。接著 開始為 m4分配空間,這時其偏移量為 1,需要補(bǔ)足 3個字節(jié),這樣使偏移量滿 足為 n=4的倍數(shù)(因?yàn)?sizeof(double大于 n ,m4占用 8個字節(jié)。接著為 m3分 配空間,這時其偏移量為 12,滿足為 4的倍數(shù), m3占用 4個字節(jié)。這時已經(jīng)為 所有成員變量分配了空間,共分配了 16個字節(jié),滿足

12、為 n 的倍數(shù)。如果把上面 的 #pragma pack(4改為 #pragma pack(16,那么我們可以得到結(jié)構(gòu)的大小為 24。 (請讀者自己分析三、再看下面這個例子#pragma pack(8struct S1char a;long b;struct S2 char c;struct S1 d;long long e;#pragma pack(sizeof(S2結(jié)果為 24.成員對齊有一個重要的條件 , 即每個成員分別對齊 . 即每個成員按自己的方式 對齊 .也就是說上面雖然指定了按 8字節(jié)對齊 , 但并不是所有的成員都是以 8字節(jié) 對齊 . 其對齊的規(guī)則是 , 每個成員按其類型的對齊

13、參數(shù) (通常是這個類型的大小 和 指定對齊參數(shù) (這里是 8字節(jié) 中較小的一個對齊 . 并且結(jié)構(gòu)的長度必須為所用過 的所有對齊參數(shù)的整數(shù)倍 , 不夠就補(bǔ)空字節(jié) .S1中 , 成員 a 是 1字節(jié)默認(rèn)按 1字節(jié)對齊 , 指定對齊參數(shù)為 8, 這兩個值中取 1,a 按 1字節(jié)對齊 ; 成員 b 是 4個字節(jié) , 默認(rèn)是按 4字節(jié)對齊 , 這時就按 4字節(jié)對齊 , 所以 sizeof(S1應(yīng)該為 8;S2 中 ,c 和 S1中的 a 一樣 , 按 1字節(jié)對齊 , 而 d 是個結(jié)構(gòu) , 它是 8個字節(jié) , 它按 什么對齊呢 ? 對于結(jié)構(gòu)來說 , 它的默認(rèn)對齊方式就是它的所有成員使用的對齊參 數(shù)中最大的一個 , S1的就是 4. 所以 , 成員 d 就是按 4字節(jié)對齊 . 成員 e 是 8個字節(jié) , 它是默認(rèn)按 8字節(jié)對齊 , 和指定的一樣 , 所以它對到 8字節(jié)的邊界上 , 這時 , 已經(jīng)使用 了 12個字節(jié)了 , 所以又添加了 4個字節(jié)的空 , 從第 16個字節(jié)開始放置成員 e. 這時 , 長度為 24, 已經(jīng)可以被 8(成員 e 按 8字節(jié)對齊 整除 . 這樣 , 一共使用了 24