详解4字节对齐

Posted 2020-07-16 Bonker

所谓的字节对齐，就是各种类型的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，这个就是对齐。我们经常听说的对齐在N上，它的含义就是数据的存放起始地址%N==0。具体对齐规则会在下面的篇幅中介绍。首先还是让我们来看一下，为什么要进行字节对齐吧。
 
各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU，诸如SPARC在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误，那么在这种架构上必须编程必须保证字节对齐。而有些平台对于没有进行对齐的数据进行存取时会产生效率的下降。让我们来以x86为例看一下如果在不进行对齐的情况下，会带来什么样子的效率低下问题，看下面的数据结构声明:

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01.struct A {  
02.    char c;  
03.    int i;  
04.};  
05.struct A a;  
 

Code 13-1
 
假设变量a存放在内存中的起始地址为0x00，那么其成员变量c的起始地址为0x00，成员变量i的起始地址为0x01，变量a一共占用了5个字节。当CPU要对成员变量c进行访问时，只需要一个读周期即可。而如若要对成员变量i进行访问，那么情况就变得有点复杂了，首先CPU用了一个读周期，从0x00处读取了4个字节(注意由于是32位架构)，然后将0x01-0x03的3个字节暂存，接着又花费了一个读周期读取了从0x04-0x07的4字节数据，将0x04这个字节与刚刚暂存的3个字节进行拼接从而读取到成员变量i的值。为了读取这个成员变量i，CPU花费了整整2个读周期。试想一下，如果数据成员i的起始地址被放在了0x04处，那么读取其所花费的周期就变成了1，显然引入字节对齐可以避免读取效率的下降，但这同时也浪费了3个字节的空间(0x01-0x03)。
 
有了上述的基本概念之后，让我们来看一下，编译器是按照什么样的原则进行对齐的。首先有3个重要的概念：自身对齐值，指定对齐值和有效对齐值。
 
自身对齐值：即数据类型的自身的对齐值。例如char型的数据，其自身对齐值为1字节;short型的数据，其自身对齐值为2字节;int,float,long类型，其自身对齐值为4字节;double类型，其自身对齐值为4字节;而struct和class类型的数据其自身对齐值为其成员变量中自身对齐值最大的那个值。
 
指定对齐值：#pragma pack (value)时指定的对齐值value
 
有效对齐值：上述两个对齐值中最小的那个。
 
我们一般说的对齐在N上，都是指有效对齐在N上。说了这么多，还是让我们先来看一些例子来加深对这些概念的理解吧。例：假设在x86机器上，假设编译器按默认4字节进行对齐

 

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01.struct A {  
02.    char c;  
03.    int i;  
04.    short s;  
05.};  
06.  
07.#pragma pack (2)   /* 指定按2字节对齐 */  
08.struct B {  
09.    char c;  
10.    short s;  
11.    int i;  
12.};  
13.#pragma pack ()    /* 恢复默认对齐 */  
 

Code 13-2
 
让我们来考虑一下sizeof(struct A)和sizeof(struct B)的结果各应该是什么。首先来看sizeof(struct A)，假设A的起始地址为0x00，做这样的假设只是为了更方便理解，其实A始终被放在对齐边界上，这并不影响sizeof的结果，在接下来的例子中，我们也会继续沿用这个假设。言归正传，数据成员c的自身对齐值=1，指定对齐值=4(默认)，所以其有效对齐值为1，因0x00%1==0，所以它被存放在0x00处；数据成员i的自身对齐值=4，指定对齐值=4，可得出其有效对齐值为4，因0x01%4 != 0，因此它应该被存放在0x04地址处，占用0x05,0x06,0x07共4个字节；接下来看数据成员s的自身对齐值=2，指定对齐值=4，得出有效对齐值为2，因0x08%2 == 0，因此它被存放在起始地址为0x08处，并占用2字节；最后再看数据结构A自身的对齐值=4(最大数据成员自身对齐值)，指定对齐值=4，得有效对齐值为4，因0x0A%4 != 0，因此多占用0x0A和0x0B为结构体A所用(这一步的作用是基于结构体数组的出发，对于结构体或者类，要将它们补充成其有效对齐值的整数倍，这点请千万注意)。由此可见sizeof(struct A)的结果应该是=1+3(空闲空间)+4+2+2(结构体补充)=12字节。
 
接下来让我们考察sizeof(struct B)的结果。这里需要注意的是，在B被声明前，指定对齐值已经被设置为2个字节。数据成员c的有效对齐值为1，存放起址0x00，s的有效对齐值为2，存放起址0x02，i的有效对齐值也为2，存放起址为0x04，累加起来一共是8个字节，已经是数据结构B的有效对齐值2的整数倍了。因此sizeof(struct B)的结果8个字节。
 
看到这里，应该对字节对齐有了一定的了解了吧。接下来我们要看一个更加复杂的例子：假设在x86机器上，假设编译器按默认4字节进行对齐 

 

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01.#pragma pack(8)  
02.struct S1 {  
03.    char a;  
04.    long b;  
05.};  
06.  
07.struct S2 {  
08.    char c;  
09.    struct S1 d;  
10.    long long e;  
11.};  
12.#pragma pack()  
13.   
 

Code 13-3
 
运用上面所学到的知识，应该不难得出sizeof(struct S1)的值为8字节，其中a的有效对齐值为1，b的有效对齐值为4，结构S1的有效对齐值为4。现在让我们来看看sizeof(struct S2)的值会是多少呢？首先成员c的有效对齐值为1，S1的自身对齐值为成员的最大自身对齐值，即4字节，其指定对齐值为8，则其有效对齐值也为4，存放起址应该为0x04，并且占用8个字节(0x04+0x08=0x0C)，其中0x01-0x03被用来填充。接下去数据成员e的有效对齐值为4，存放起址应该是0x0D % 8 == 0，占用8个字节(0x10)。最后考察S2本身的有效对齐值应该是4字节，而0x0D%8==0，就不需要填充了，因此sizeof(struct S2)=20。
 
在vc6工具中，我们可以选择[project]->[Settings]->[C/C++]->[Code Generation]->[Struct member alignment]来更改默认对齐字节数。
 
参考：http://www.sco.com/developers/devspecs/abi386-4.pdf