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文檔簡介
字節(jié)對齊
AndrewHuang<bluedrum@163.com>
內容提要
?字節(jié)對齊概念
?字節(jié)對齊測試
■offsetof
■缺省情況的字節(jié)對齊
■double型字節(jié)對齊
■改變字節(jié)對齊設置
?不同環(huán)境下的字節(jié)對齊
■GCC字節(jié)對齊
■ADS字節(jié)對齊
?字節(jié)對齊練習
字節(jié)對齊是一個很隱含的概念,平時可能你沒有留意,但是如果你在編寫網絡通訊程序或者
用結構去操作文件或硬件通訊結構,這個問題就會浮出水面。我記得第?次導致我去看字節(jié)
對齊概念資料的原因就是ARP通訊,ARP包頭是一個31Byte包頭。當你用一個認為是31Byte
結構去處理數(shù)據(jù)包時,卻總是處理不對。這一篇文章詳細討論了字節(jié)對齊要領和各種情況.
字節(jié)對齊概念
?現(xiàn)代計算機中內存空間都是按照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,但為了CPU訪問數(shù)據(jù)的快速,通常都要求數(shù)據(jù)存放的地址是有一
定規(guī)律的.
?比如在32位CPU上,一般要求變量地址都是基于4位,這樣可以保證CPU用一次的
讀寫周期就可以讀取變量.不按4位對齊,如果變量剛好跨4位編碼,這樣需要CPU兩個讀寫
周期.效率自然低下.因此,在現(xiàn)代的編譯器都會自動把復合數(shù)據(jù)定義按4位對齊,以保證CPU
以最快速度讀取,這就是字節(jié)對齊(byteAlignment)產生的背景
?字節(jié)對齊是?種典型,以空間換時間的策略的,在現(xiàn)代計算機擁有較大的內存的情況,
這個策略是相當成功的.
為什么要字節(jié)對齊?
?加快程序訪問速度
?很多CPU對訪問地址有嚴格要求,這時編譯器必須要這個CPU的規(guī)范來實現(xiàn),X86
較為寬松,不對齊結構可能只影響效率,如ARM,訪問地址必須基于偶地址,MIPS和
Sparc也類似,這樣不對齊的地址訪問會造成錯誤.
關于字節(jié)對齊的實現(xiàn)
在不同的CPU對地址對齊有不同要求,各個編譯器也會采用不同策略來實現(xiàn)字節(jié)對
齊,在隨后的例子,可以對比PCF的Windows,和Linux,以有ARM下的字節(jié)對齊策略.
字節(jié)對齊帶來的問題
字節(jié)對齊相當于編譯器自己在開發(fā)者定義的結構里偷偷加入一些填充字符,而且各種
編譯器填充的策略不一定相同.因此,在網絡傳輸,二進制文件處理以及.底層總線傳輸和底層
數(shù)據(jù)等相關領域,忽略字節(jié)對齊會帶來嚴重問題.這樣會產生錯位使用程序處理數(shù)據(jù)完全錯誤.
因此,網絡以及硬件相關開發(fā)人員必須對字節(jié)對齊要有清晰的了解.
字節(jié)對齊測試
offsetof操作符
在分析字節(jié)對齊之前,首先了解一下offsetof宏.這個宏是標準C的定義,每個C庫均會在
stddefh中定義.作用是計算結構或聯(lián)合每一個成員的偏移量.用。他etof我們可以很清晰看到
字節(jié)是如何對齊的.
它的用法如下:
typedefstruct{charcl;intil;charc2;}S3;
printfileIoffset=%d,i1offset=%d,c2oflfcet=%d/n'',
offsetof(S3,cl),offsetof(S3,il),ofTsetof(S3,c2));
offsetof在不同操作系統(tǒng)下定成不同形式.
/*Keil8051*/
#defineoffsetofi[s,m)(size_t)&(((s*)0)->m)
/*Microsoftx86*/
#ifdef_WIN64
#defineoffsetof(s,m)(size_t)((ptrdif^t)&(((s*)0)->m))
#else
#defineoffsetof(s,m)(size_t)&(((s*)0)->m)
#endif
/*Motorolacoldfire*/
#defineoflsetof(s,memb)((size_t)((char*)&((s*)0)->memb-(char*)0))
/*GNUGCC4.0.2*/
#defineoffsetof(TYPE,MEMBER)_builtin_offsetof(TYPE,MEMBER)
注意:。昧etof不能求位域成員的偏移量,o抵etof雖然引用了一個空指針來操作成員,但是
由于只是在取類型,并且這個值在編譯期就被確定,所以編譯器在編譯會直接算出。昧etof的
值,而不會在運行期引起內存段錯誤.
以下我們用。抵etof來分析結構和字節(jié)對齊
缺省情況的字節(jié)對齊
缺省的情況我們是指32BitCPU,Windows使用VC++6Q用這個環(huán)境基本能說明問題,其
余的環(huán)境有不同的,再補充說明.
對齊有如下情況:
1.基本類型變量起始地址要按一定規(guī)則對齊.
?char類型,其起始地址要1字節(jié)邊界上,即其地址能被1整除(即任意地址即可)
?short類型,其起始地址要2字節(jié)邊界上,即其地址能被2整除
?int類型,其起始地址要4字節(jié)邊界匕即其地址能被4整除
?long類型,其起始地址要4字節(jié)邊界上,即其地址能被4整除
?float類型,其起始地址要4字節(jié)邊界上,即其地址能被4整除
?double類型,其起始地址要8字節(jié)邊界上,即其地址能被8整除
2.結構實例起始址要在自己最大尺寸成員的對齊地址上
如最大尺寸的成員是short,則要基于2對齊
3.結構內成員的偏移量也要參照第1條,滿足相應倍數(shù)
如成員是short,則偏移量也是2的倍數(shù).
這一條實際仍然是第1條規(guī)則的擴展,因為結構起始地址按最大倍數(shù)來,加上內部相
應倍數(shù),這樣成員絕對地址仍然滿足第1條規(guī)定
4.結構總尺寸也要對齊.要為最大尺寸的成員的整數(shù)倍,
如果不是則要在結構最后補齊成整數(shù)倍
關于第一條,我們做如下測試
charcl;
intil;
shortol;
doubledl;
#defineADDR_DIFF(a,b)((char*)a)-((char*)b)
printt^ncladdr=0x%x,i1addr=0x%x,oladdr=Ox%x,dladdr=0x%x/nM,
&cl,&il,&ol,&dl);
printffc1-il=%d,il-o1=%d,o1-dl=%d/nu,
ADDR_DIFF(&cl,&il),ADDR_DIFF(&il,&ol),ADDR_DIFF(&o1,&d1));
Win32下測試結果:
claddr=0x12fT7c,i1addr=Oxl2fF78,oladdr=0xl2fF74,dladdr=0x12fI6c
cl-il=4,il-ol=4,ol-dl=8
從測試結果可以看出,編譯器并沒有緊密的把各個數(shù)據(jù)結構排列在一起,而是按其對齊地
址進行分配
結構的字節(jié)對齊
例1:
typedefstructs2{
inta;
shortb;
charc;
}s2;
printf(ns2size=%d,inta=%d,shortb=%d,charc=%d/n",
sizeof(s2),oflfsetof(s2,a),oilsetof(s2,b),offsetof(s2,c));
測試結果是s2size=8,inta=0,shortb=4,charc=6
從結果看.是總尺寸是8,各成員尺寸之和是7,從偏移量可以看在最后補齊一個字符,這是
按規(guī)則4,總尺寸是最大成員倍數(shù)
04
例加?A(
a
inia;
shortb;
charc;
};
編譯器自動補齊1個bvte讓息尺
寸是最4■字節(jié)數(shù)倍數(shù)
bIuedrum@163.com
例2:
typedefstructs5{
inta;
charb;
shortc;
}s5;
printf("s5size=%d,inta=%d,charb=%d,shortc=%d/nH,
sizeof(s5),offsetof(s5,a),offsetof(s5,b),offsetofi[s5,c));
測試結果是s5size=8,inta=0,charb=4,shortc=6
這一次補齊的目的是為了short型的c基于2對齊,應用第3條規(guī)則
例staotA{
inia;
charb;
shortc;
};編譯器自動補齊1個byte.讓c的
起始地址基于2的倍數(shù)
bIuedrum@163.com
例3:
typedefstructslO{
charb;
shortc;
)slO;
printf(nslOsize=%d,charb=%d,inta=%d,shortc=%d/n",
sizeof(s10),oflfsetof(s10,b),offsetof(s10,a),offsetof(s10,c));
測試結果:slOsize=12,charb=0,inta=4,shortc=8
第?次補齊的目的是為了int型的a基于4對齊,應用第3條規(guī)則
第二次補齊為了合符第4條規(guī)則.要為int的倍數(shù).
編譯器自動補齊3個byte
讓a能基于4對齊
04
例staietB{
charb;
iflia;
shortc;
);
編譯器自動補齊2個byte
讓總尺寸是4的倍數(shù)
bIuedrum@163.com
例5:
typedefstructs4{
chara;
shortb;
charc;
}s4;
printfi[ns4size=%d,inta=%d,shortb=%d,charc=%d/n”,
sizeof(s4),oflsetof(s4,a),offsetof(s4,b),oflfsetof(s4,c));
測試結果:s4size=6,inta=0,shortb=2,charc=4
這里最大尺寸的成員是shortb所以總尺寸是2的倍數(shù),而且short本身也需要2對齊,因此在
兩個不同地方補了一個byte
double型的字節(jié)對齊
先看測試樣例
typedefstructsi{
chara;
doubleb;
shortc;
}sl;
printff'slsize=%d,chara=%d,doubleb=%d,shortc=%d/nu,
sizeof(s1),offsetof(s1,a),offsetof(s1,b),oflfsetof(sl,c));
在Windows+VC6.0下測試結果:sisize=24,chara=0,doubleb=8,shortc=16
在Redhat9.0+gcc3.2.2下測試結果:sisize=16,chara=0,doubleb=4,shortc=12
可以看到在兩個編譯器上,對double的對齊處理不一樣.在Linux下,double采用是基于4對
齊.而Windows采用8對齊.
再看一個實例
typedefstructsi{
chara;
doubleb;
charc;
intd;
}sl;
printf(ns6size=%d,chara=%d,doubleb=%d,charc=%dintd=%d/n”,
sizeof(s6),offsetof(s6,a),offsetof(s6,b),offsetof(s6,c),oflsetof{s6,(i));
在Windows+VC6.0下測試結果:s6size=24,chara=0,doubleb=8,charc=16intd=20
Windows(基于8對齊)編譯器自動補齊7個byte
讓a能基于8對齊
例沏^B{
charb;
doublea;
shortc;
);
編譯器自動補齊6個byte
讓總尺寸是8的倍數(shù)’
bIuedrum6163.com
在Redhat9.0+gcc3.2.2下測試結果:s6size=20,chara=0,doubleb=4,charc=12intd=16
編譯器自動補齊3Tbyte
?Linux(基于4對齊)讓a能基于4對齊
例{
charb;
doublea;
shortc;
};
編譯器自動補齊2個byte
讓總尺寸是4的倍數(shù)
hIA3ucm
改變字節(jié)對齊設置
默認的字節(jié)對齊都是按最大成員尺寸來進行對齊,但是在開發(fā)中可能需要調整對齊寬度.
最常的一種情況是,在在網絡和底層傳輸中取消字節(jié)對齊,完成按原始尺寸緊密的排列.
還有一種情況是擴大或縮少字節(jié)對齊的排列.這種情況比較復雜.但應用比較少.
取消字節(jié)對齊
在文件處理,網絡和底層傳輸中,數(shù)據(jù)都是緊密排列.不希望編譯器在結構內部自行增加
空間.這時需要開發(fā)者通知編譯器,某一些結構是不需要字節(jié)對齊的.
絕大部分編譯器是使用預編譯指令pragma取消對齊
?#pragmapack(n)設置對齊寬度為n,它可以是1,2,4,8等等,其中1就表示不進行字
節(jié)對齊.
■#pragmapack(n)是成片生效的,即在這個指令后面所有結構都會按新的對齊
值進行對齊
?#pragmapack()將上一次#pragmapack(n)的設置取消.恢復為默認值.
?兩者是成對使用,在這兩者之間所有結構均受到影響
注意是pragma,不是progma
例子:
#pragmapack(l)
typedefstructs7{
inta;
shortb;
charc;
}s7;
#pragmapack()
printfl;"s7size=%d,inta=%d,shortb=%d,charc=%d/n",
sizeof(s7),offsetof(s7,a),oflfsetof(s7,b),ofTsetof(s7,c));
測試結果s7size=7,inta=0,shortb=4,charc=6
可以看到,取消字節(jié)對齊,sizeof()就成員尺寸之和.
改變字節(jié)對齊
這種情況比較復雜,而且也不常用.也是通過#pragmapack(n)來完成生效,但是要注意,
字節(jié)對齊值采用n和默認對齊值中較小的一個.換句話說,擴大對齊值是不生效的.
#pragmapack還有其它功能
?#pragmapack(push)//將當前pack設置壓棧保存
?#pragmapack(pop)〃恢復先前的pack設置
這兩個功能用于多種對齊值混用的場合,(當然,這種情況也是非常少見)
縮小例子:
#pragmapack(2)/*指定按2字節(jié)對齊,缺省是4*/
typedefstructs8
{
chara;
intb;
shortc;
)s8;
#pragmapack()
printfi[ns8size=%d,chara=%d,intb=%d,shortc=%d/n”,
sizeof(s8),offsetof(s8,a),offsetof(s8,b),offsetof(s8,c));
測試結果:s8size=8,chara=0,intb=2,shortc=6
缺省的4字節(jié)對齊話,sizoef應該是12,現(xiàn)在改為2對齊的話,只能是8,即在chara補了一
個字節(jié).
擴大的例子:
#pragmapack(8)/*指定按2字節(jié)對齊,缺省是4*/
typedefstructs9
|
chara;
intb;
shortc;
}s9;
#pragmapack()
printf(Ms9size=%d,chara=%d,intb=%d,shortc=%d/n”,
sizeof(s9),offsetof(s9,a),oflsetofi[s9,b),offsetof(s9,c));
測試結果:s9size=12,chara=0,intb=4,shortc=8
這個結果跟4對齊是一樣的,換句話說,8對齊沒有生效
不同環(huán)境下的字節(jié)對齊使用
GCC的字節(jié)對齊控制
GCC也支持#pragma字節(jié)控制
?#pragmapack(n),gcc將按照n個字節(jié)對齊
?#pragmapack(),取消自定義字節(jié)對齊方式
#pragma只保證的成員相關偏移量是字節(jié)對齊的.不保證絕對地址對齊.
GCC也支持某個?個數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)絕對地址的自然對齊
—attribute((aligned(n)))讓所作用的結構成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結構中有
成員的長度大于n,則按照最大成員的長度來對齊。
_attribute_((packed)),取消結構在編譯過程中的優(yōu)化對齊,按照實際占用字節(jié)數(shù)進行
對齊。
structSTRUCT_TEST
{
chara;
intb;
charc;
}_attribute_((packed));〃注意位置,在}與;之間
?_attribute是GCC屬性,跟#pragma不同,_attribute_是gcc的方言,只有GCC能
識別,不要在VC++之類編譯器使用這種定義.
attribute每次只對一個結構生效.
ADS的字節(jié)對齊控制
ARM對訪問地址有特殊要求,如果不對齊,會造成程序錯誤,而不是象X86或PowerPC
那樣折成兩個指令訪問.因此用#pragmapack(l)只是讓結構本身成員內部按1對齊,并不
能保證結構的絕對地址是對齊.
ADS采用特殊指令來實現(xiàn)要想保證地址對齊.ADS采用
ALIGN._align(num),._packed,來控制字節(jié)對齊
?ALIGN用于匯編的字節(jié)對齊控制
?_align(num)類似于#pragmapack(num),用于整片代碼字節(jié)對齊的的控制.
?_packed取消某個結構或成員的內部字節(jié)對齊,并實現(xiàn)絕對地址對齊,類似于gcc的
_attribute_((packed));
_packedstructSTRUCTTEST
(
chara;
intb;
charc;
);
字節(jié)對齊練習
請指在windows32下出下列值的sizeof和各個成員的偏移量
1.structsi{
shorta;
shortb;
shortc;
};
2.structs2{
chara[21];
shortb;
);
3.structs2{
floata;
charb;
shortc;
intd;
);
5.#pragmapack(1)
typedefstructs8
{
chara;
intb;
shortc;
doubled;
}s8;
#pragmapack()
c語言字節(jié)對齊(以32位系統(tǒng)為例)
(2011-02-1616:36:31)
轉載
畫標簽:分類:C語言程序設計
科技
結構體
字節(jié)
讀周期
編譯器
字節(jié)對齊
數(shù)據(jù)對齊
教育
1.什么是對齊?
現(xiàn)代計算機中內存空間都是按照字節(jié)(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
際情況是在訪問特定變量的時候經常在特定的內存地址訪問,這
就需要各類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列,而不是順序地
一個接一個地排放,這就是對齊。
2.計算機為什么要對齊?
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,其他平臺
可能沒有這種情況。但是最常見的是,如果不按照適合其平臺的
要求對數(shù)據(jù)存放進行對齊,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,一個int型(假設為32位)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,而如
果存放在奇地址開始的地方,就可能會需要2個讀周期,并對兩
次讀出的結果的高低字節(jié)進行拼湊才能得到該int數(shù)據(jù),顯然在
讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。在網絡程序中,
掌握這個概念可是很重要的:如果在不同平臺之間(比如在
Windows和Linux之間)傳遞2進制流(比如結構體),那么在這
兩個平臺間必須要定義相同的對齊方式,不然莫名其妙地出了一
些錯,可是很難排查的。
3.對齊的實現(xiàn):
通常,我們寫程序的時候,不需要考慮對齊問題,編譯器會
替我們選擇適合目標平臺的對齊策略。當然,我們也可以通知給
編譯器傳遞預編譯指令而改變對指定數(shù)據(jù)的對齊方法,比如寫入
預編譯指令#pragmapack(2),即告訴編譯器按兩字節(jié)對齊。
但是,正因為我們一般不需要關心這個問題,所以,如果編
輯器對數(shù)據(jù)存放做了對齊,而我們不了解的話,常常會對一些問
題感到迷惑。最常見的就是struct數(shù)據(jù)結構的sizeof結果,比
如以下程序:
#include<stdio.h>
intmain(void)
structA
chara;
shortb;
intc;
);
printf(〃結構體類型A在內存中所占內存為:%d字節(jié)。
\n,z,sizeof(structA));
return0;
)
輸出結果為:8字節(jié)。
如果我們將結構體中的變量聲明位置稍加改動(并不改變變
量本身),請再看以下程序:
#include<stdio.h>
intmain(void)
{
structA
{
shortb;
intc;
chara;
);
printf(〃結構體類型A在內存中所占內存為:%d字節(jié)。
\n,z,sizeof(structA));
return0;
)
輸出結果為:12字節(jié)。
問題出來了,他們都是同一個結構體,為什么占用的內存大
小不同呢?為此,我們需要對對齊算法有所了解。
4.對齊算法:
由于各個平臺和編譯器的不同,現(xiàn)以32位,vc++6.0系統(tǒng)
為例,來討論編譯器對struct數(shù)據(jù)結構中的各成員如何進行對
齊的。
首先,我們給出四個概念:
1)數(shù)據(jù)類型自身的對齊值:就是基本數(shù)據(jù)類型的自身對齊值,
比如char類型的自身對齊值為1字節(jié),int類型的自身對齊值
為4字節(jié)。
2)指定對齊值:預編譯命令#pragmapack(value)指定的對
齊值value。
3)結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那
個值,比如以上的structA的對齊值為4。
4)數(shù)據(jù)成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對
齊值中較小的那個值。
設結構體如下定義:
structA
chara;
shortb;
intc;
);
a是char型數(shù)據(jù),占用1字節(jié)內存;short型數(shù)據(jù),占用2
字節(jié)內存;int型數(shù)據(jù),占用4字節(jié)內存。因此,結構體A的自
身對齊值為4。于是,a和b要組成4個字節(jié),以便與c的4個
字節(jié)對齊。而a只有1個字節(jié),a與b之間便空了一個字節(jié)。我
們知道,結構體類型數(shù)據(jù)是按順序存儲結構一個接一個向后排列
的,于是其存儲方式為:
其中空白方格無數(shù)據(jù),是浪費的內存空間,共占用8字節(jié)內
存。
實際上,為了更加明顯地表示“對齊”,我們可以將以上結
構想象為以下的行排列:
ab
a和b與c對齊
對于另一個結構體定義:
structA
shortb;
intc;
chara;
);
其內存存儲方式為:
同樣把它想象成行排列:
可見,浪費的空間更多。
其實,除了結構體之外,整個程序在給每個變量進行內存分
配時都會遵循對齊機制,也都會產生內存空間的浪費。但我們要
知道,這種浪費是值得的,因為它換來的是效率的提高。
以上分析都是建立在程序默認的對齊值基礎之上的,我們可
以通過添加預定義命☆#pragmapack(value)來對對齊值進行自
定義,比如#pragmapack(l),對齊值變?yōu)?,此時內存緊湊,
不會出現(xiàn)內存浪費,但效率降低了。效率之所以降低,是因為:
如果存在更大字節(jié)數(shù)的變量時(比1大),比如int類型,需要
進行多次讀周期才能將一個int數(shù)據(jù)拼湊起來。
一、關于字節(jié)對齊,這可能是我找到的解釋最為準確的一篇文章了,尤其對于
#pragmapack的解釋.之前看了好幾篇文章,都解釋為是設置默認對齊字節(jié)數(shù).
唯有該篇指出是設置字節(jié)對齊時所允許的最大值.經linux下驗證,符合事實.
似乎網上的文章以訛傳訛的情況越來越多了.以至于關于集線器在osi體系中所
處的層次居然有3中說法.
朋友帖了如下一段代碼:
ttpragmapack(4)
classTestB
(
public:
intaa;
chara;
shortb;
charc;
);
intnSize=sizeof(TestB);
這里nSize結果為12,在預料之中。
現(xiàn)在去掉第一個成員變量為如下代碼:
Spragmapack(4)
classTestC
(
public:
chara;
shortb;
charc;
);
intnSize=sizeof(TestC);
按照正常的填充方式nSize的結果應該是8,為什么結果顯示nSize為
6呢?
事實上,很多人對#pragmapack的理解是錯誤的。
Spragmapack規(guī)定的對齊長度,實際使用的規(guī)則是:
結構,聯(lián)合,或者類的數(shù)據(jù)成員,第一個放在偏移為0的地方,以后每個數(shù)
據(jù)成員的對齊,按照#pragmapack指定的數(shù)值和這個數(shù)據(jù)成員自身長度中,比
較小的那個進行。
也就是說,當#pragmapack的值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員長度的時候,這
個值的大小將不產生任何效果。
而結構整體的對齊,則按照結構體中最大的數(shù)據(jù)成員和#pragmapack指
定值之間,較小的那個進行。
具體解釋
Spragmapack(4)
classTestB
(
public:
intaa;〃第一一個成員,放在[0,3]偏移的位置,
chara;〃第二個成員,自身長為1,#pragmapack(4),取小值,
也就是1,所以這個成員按一字節(jié)對齊,放在偏移[4]的位置。
shortb;〃第三個成員,自身長2,#pragmapack(4),取2,按
2字節(jié)對齊,所以放在偏移[6,7]的位置。
charc;〃第四個,自身長為1,放在[8]的位置。
);
這個類實際占據(jù)的內存空間是9字節(jié)
類之間的對齊,是按照類內部最大的成員的長度,和#pragmapack規(guī)定的
值之中較小的一個對齊的。
所以這個例子中,類之間對齊的長度是min(sizeof(int),4),也就是4。
9按照4字節(jié)圓整的結果是12,所以sizeof(TestB)是12。
如果
Spragmapack(2)
classTestB
(
public:
intaa;〃第一個成員,放在[0,3]偏移的位置,
chara;〃第二個成員,自身長為1,^pragmapack(4),取小值,
也就是1,所以這個成員按一字節(jié)對齊,放在偏移[4]的位置。
shortb;〃第三個成員,自身長2,弁pragmapack(4),取2,按
2字節(jié)對齊,所以放在偏移[6,7]的位置。
charc;〃第四個,自身長為1,放在[8]的位置。
);
〃可以看出,上面的位置完全沒有變化,只是類之間改為按2字節(jié)對齊,9
按2圓整的結果是10。
〃所以sizeof(TestB)是10。
最后看原貼:
現(xiàn)在去掉第一個成員變量為如下代碼:
Spragmapack(4)
classTestC
public:
chara;〃第一個成員,放在[0]偏移的位置,
shortb;〃第二個成員,自身長2,Spragmapack(4),取2,按2
字節(jié)對齊,所以放在偏移⑵3]的位置。
charc;〃第三個,自身長為1,放在[4]的位置。
);
//整個類的大小是5字節(jié),按照min(sizeof(short),4)字節(jié)對齊,也就是2
字節(jié)對齊,結果是6
//所以sizeof(TestC)是6。
感謝Michael提出疑問,在此補充:
當數(shù)據(jù)定義中出現(xiàn)—declspec(align。)時,指定類型的對齊長度還要用
自身長度和這里指定的數(shù)值比較,然后取其中較大的。最終類/結構的對齊長度
也需要和這個數(shù)值比較,然后取其中較大的。
可以這樣理解,―declspec(align())和#pragmapack是一■對兄弟,
前者規(guī)定了對齊的最小值,后者規(guī)定了對齊的最大值,兩者同時出現(xiàn)時,前者擁
有更高的優(yōu)先級。
_declspec(align())的一個特點是,它僅僅規(guī)定了數(shù)據(jù)對齊的位置,而
沒有規(guī)定數(shù)據(jù)實際占用的內存長度,當指定的數(shù)據(jù)被放置在確定的位置之后,其
后的數(shù)據(jù)填充仍然是按照#pragmapack規(guī)定的方式填充的,這時候類/結構的實
際大小和內存格局的規(guī)則是這樣的:
在—declspec(align())之前,數(shù)據(jù)按照#pragmapack規(guī)定的方式填充,
如前所述。當遇到_declspec(alignO)的時候,首先尋找距離當前偏移向后
最近的對齊點(滿足對齊長度為max(數(shù)據(jù)自身長度,指定值)),然后把被指定
的數(shù)據(jù)類型從這個點開始填充,其后的數(shù)據(jù)類型從它的后面開始,仍然按照
^pragmapack填充,直到遇到下一個_declspec(align())。
當所有數(shù)據(jù)填充完畢,把結構的整體對齊數(shù)值和—declspec(alignO)規(guī)
定的值做比較,取其中較大的作為整個結構的對齊長度。
特別的,當—declspec(alignO)指定的數(shù)值比對應類型長度小的時候,
這個指定不起作用。
二、1,比如:
struct{
shortal;
shorta2;
shorta3;
}A;
struct{
longal;
shorta2;
}B;
sizeof(A)=6,sizeof(B)=8,為什么?
注:sizeof(short)=2,sizeof(long)=4
因為:“成員對齊有一個重要的條件,即每個成員按自己的方式對齊.其對齊的規(guī)則是,每個成員
按其類型的對齊參數(shù)(通常是這個類型的大小)和指定對齊參數(shù)(這里默認是8字節(jié))中較小的一
個對齊.并且結構的長度必須為所用過的所有對齊參數(shù)的整數(shù)倍,不夠就補空字節(jié).”(引用)
結構體A中有3個short類型變量,各自以2字節(jié)對齊,結構體對齊參數(shù)按默認的8字節(jié)對齊,
則al,a2,a3都取2字節(jié)對齊,則sizeof(A)為6,其也是2的整數(shù)倍;
B中al為4字節(jié)對齊,a2為2字節(jié)對齊,結構體默認對齊參數(shù)為8,則al取4字節(jié)對齊,a2
取2字節(jié)對齊,結構體大小6字節(jié),6不為4的整數(shù)倍,補空字節(jié),增到8時,符合所有條件,
則sizeof(B)為8;
可以設置成對齊的
#pragmapack(l)
#pragmapack(push)
#pragmapack(l)
struct{
shortal;
shorta2;
shorta3;
}A;
struct{
longal;
shorta2;
}B;
ttpragmapack(pop)結果為sizeof(A)=6,sizeof(B)=6
2,又如:
#pragmapack(8)
structSI{
chara;
longb;
);
structS2{
charc;
structSId;
longlonge;
);
^pragmapack()
sizeof(S2)結果為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參數(shù)(通常是這個類型的大?。┖椭付▽R參數(shù)(這里是8字節(jié))中較
小的一個對齊.并且結構的長度必須為所用過的所有對齊參數(shù)的整數(shù)倍,不夠就補空字節(jié).
S1中,成員a是1字節(jié)默認按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),默認是按4字節(jié)對齊,這時就按4字節(jié)對齊,所以sizeof($1)應該為8;
S2中,c和S1中的a一樣,按1字節(jié)對齊,而d是個結構,它是8個字節(jié),它按什么對齊呢?對于
結構來說,它的默認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,已經可以被8(成員e按8字節(jié)對齊)整除.這樣,一共使用了
24個字節(jié).
ab
S1的內存布局:1***,1111,
cSI.aSI.be
S2的內存布局:1***,1***,1111,****11111111
這里有三點很重要:
1.每個成員分別按自己的方式對齊,并能最小化長度
2.復雜類型(如結構)的默認對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是復雜類型時,可
以最小化長度
3.對齊后的長度必須是成員中最大的對齊參數(shù)的整數(shù)倍,這樣在處理數(shù)組時可以保證每一項都邊
界對齊
補充一下,對于數(shù)組,比如:
chara[3];這種,它的對齊方式和分別寫3個char是一樣的.也就是說它還是按1個字節(jié)對齊.
如果寫:typedefcharArray3[3];
Array3這種類型的對齊方式還是按1個字節(jié)對齊,而不是按它的長度.
不論類型是什么,對齊的邊界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一個.
字節(jié)對齊詳解
為什么要對齊?
現(xiàn)代計算機中內存空間都是按照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,但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經
常在特定的內存地址訪問,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。比如有些架構的CPU
在訪問一個沒有進行對齊的變量的時候會發(fā)生錯誤,那么在這種架構下編程必
須保證字節(jié)對齊.其他平臺可能沒有這種情況,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,并對兩次讀出的結果的高低字節(jié)進行拼湊才能得
到該32bit數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。
二.字節(jié)對齊對程序的影響:
先讓我們看兒個例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器):
設結構體如下定義:
structA
(
inta;
charb;
shortc;
);
structB
{
charb;
inta;
shortc;
);
現(xiàn)在已知32位機器上各種數(shù)據(jù)類型的長度如下:
char:1(有符號無符號同)
short:2(有符號無符號同)
int:4(有符號無符號同)
long:4(有符號無符號同)
float:4double:8
那么上面兩個結構大小如何呢?
結果是:
sizeof(strcutA)值為8
sizeof(structB)的值卻是12
結構體A中包含了4字節(jié)長度的int一個,1字節(jié)長度的char一個和2字節(jié)長
度的short型數(shù)據(jù)一個,B也一樣;按理說A,B大小應該都是7字節(jié)。
之所以出現(xiàn)上面的結果是因為編譯器要對數(shù)據(jù)成員在空間上進行對齊。上面是按
照編譯器的默認設置進行對齊的結果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默
認對齊設置呢,當然可以.例如:
#pragmapack(2)/*指定按2字節(jié)對齊*/
structC
(
charb;
inta;
shortc;
);
#pragmapack()/*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
sizeof(structC)值是8。
修改對齊值為1:
#pragmapack(1)/*指定按1字節(jié)對齊*/
structD
{
charb:
inta;
shortc;
);
#pragmapack()/*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
sizeof(structD)值為7。
后面我們再講解#pragmapack。的作用.
三.編譯器是按照什么樣的原則進行對齊的?
先讓我們看四個重要的基本概念:
1.數(shù)據(jù)類型自身的對齊值:
對于char型數(shù)據(jù),其自身對齊值為1,對于short型為2,對于
int,float,double類型,其自身對齊值為4,單位字節(jié)。
2.結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。
3.指定對齊值:Spragmapack(value)時的指定對齊值value。
4.數(shù)據(jù)成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體數(shù)據(jù)結構的成員和其自身的對齊
方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值,最重要。有效對齊
N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該數(shù)據(jù)的“存放起始地址潁=0〃.而數(shù)據(jù)
結構中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址
就是數(shù)據(jù)結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放,結構體本身也要根
據(jù)自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效
對齊值的整數(shù)倍,結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的兒個例子的值了。
例子分析:
分析例子B;
structB
{
charb;
inta;
shortc;
);
假設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環(huán)
境下,該值默認為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1,比指定或者默認指
定對齊值4小,所以其有效對齊值為1,所以其存放地址0x0000符合
0x0000知=0.第二個成員變量a,其自身對齊值為4,所以有效對齊值也為4,所
以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中,復核
0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為2,所以有效對齊
值也是2,可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節(jié)空間中,符合0x0008%2=0。
所以從0x0000到0x0009存放的都是B內容。再看數(shù)據(jù)結構B的自身對齊值為
其變量中最大對齊值(這里是b)所以就是4,所以結構體的有效對齊值也是4。
根據(jù)結構體圓整的要求,0x0009到0x0000=10字節(jié),(10+2)%4=0。所以
OxOOOOA到OxOOOB也為結構體B所占用。故B從0x0000到OxOOOB共有12個字
節(jié),sizeof(structB)=12;其實如果就這?個就來說它已將滿足字節(jié)對齊了,因
為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補充2個字節(jié),是因為編
譯器為了實現(xiàn)結構數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了?個結構B的數(shù)組,那
么第一個結構起始地址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組
中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數(shù)倍,那么下
一個結構的起始地址將是OxOOOOA,這顯然不能滿足結構的地址對齊了,因此我
們要把結構補充成有效對齊大小的整數(shù)倍.其實諸如:對于char型數(shù)據(jù),其自身
對齊值為1,對于short型為2,對于int,float,double類型,其自身對齊值為
4,這些已有類型的自身對齊值也是基于數(shù)組考慮的,只是因為這些類型的長度
已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C:
#pragmapack(2)/*指定按2字節(jié)對齊*/
structC
{
charb;
inta;
shortc;
);
#pragmapack()/*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/
第一個變量b的自身對齊值為1,指定對齊值為2,所以,其有效對齊值為1,
假設C從0x0000開始,那么b存放在0x0000,符合0x0000%l=0;第二個變量,
自身對齊值為4,指定對齊值為2,所以有效對齊值為2,所以順序存放在0x0002、
0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù)字節(jié)中,符合0x0002%2=0。第三個變量c
的自身對齊值為2,所以有效對齊值為2,順序存放
在0x0006、0x0007中,符合0x0006%2=0o所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)
存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4,所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C
只占用0x0
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