字节对齐2

Posted 2020-08-16 遥望星空

字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，通常有小端、大端两种字节顺序。小端字节指低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存的高地址处；大端字节序是高字节数据存放在低地址处，低字节数据存放在高地址处。基于X86平台的PC机是小端字节序的，而有的嵌入式平台则是大端字节序的。因而对int、uint16、uint32等多于1字节类型的数据，在这些嵌入式平台上应该变换其存储顺序。通常我们认为，在网络中传输的字节的顺序即网络字节序为标准顺序，考虑到与协议的一致以及与同类其他平台产品的互通，在程序中发数据包时，将主机字节序转换为网络字节序，收数据包处将网络字节序转换为主机字节序。
    对于下面的结构体：

1. struct test
2. {
3.     char x1;
4.     short x2;
5.     float x3;
6.     char x4;
7. };

    结构各成员空间分配情况是怎么样的？
    文章中解释：
    结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在了其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构体中，成员x3要求4字节对齐，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了 3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。
    同时，说明了更改C编译器的缺省字节对齐方式：在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：
　· 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
    · 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。
    另外，还有如下的一种方式：
    · __attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
    · __attribute__ ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。
    以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。

    下面是CSDN上提出的问题(原文<<intel和微软和本公司同时出现的面试题>>:http://community.csdn.net/Expert/TopicView3.asp?id=3804035)

1. #pragma pack(8)
2. struct s1
3. {
4.     short a;
5.     long b;
6. };
7. struct s2
8. {
9.     char c;
10.     s1 d;
11.     long long e;
12. };
13. #pragma pack()

    问：
    （1）sizeof(s2) = ？
    （2）s2的c后面空了几个字节接着是d？
    
    下面是redleaves给出解释：
    很详尽，很透彻，从论坛原文后头的对话可以看出redleaves对C/C++的标准理解很深刻，值得学习：

1. #pragma pack(8)
2. struct S1
3. {
4. char a;
5. long b;
6. };
7. struct S2 {
8. char c;
9. struct S1 d;
10. long long e;
11. };
12. #pragma pack()

    sizeof(s2)结果为24。
    成员对齐有一个重要的条件，即每个成员分别对齐，即每个成员按自己的方式对齐。
    也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐。其对齐的规则是：每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对
齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。
    s1中，成员a是1字节，默认按1字节对齐，指定对齐参数为8，这两个值中取1，a按1字节对齐；成员b是4个字节，默认是按4个字节对齐，这时就按4个字节对齐。所以sizeof(s1) = 8。
    s2中，c和s1中的a一样，按1字节对齐，而d是个结构，它是8个字节，它按什么对齐呢？对于结构来说，它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个，s1的就是4。所以，成员d就是按4字节对齐，成员e是8个字节对齐，它是默认按8个字节对齐，和指定的一样，所以它对到8字节的边界。这时，已经使用了12个字节了，所以又添了4个字节的空，从第16个字节开始放置成员e。这是，长度为24，已经可以按8（成员e按8字节对齐）整除。这样，一共使用了24个字节。
    a b
    s1的内存布局：11**,1111,
    c s1.a s1.b d
    s2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111

    这里有三点很重要：
    （1）每个成员分别按自己的方式对齐，并能最小化长度；
    （2）复杂类型（如结构）的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式，这样在成员是复杂类型时，可以最小化长度；
    （3）对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍，这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐；

    对于数组,比如:
    char a[3];这种，它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐。
    如果写：typedef char Array3[3];
    Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度。
    不论类型是什么，对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个。

    下面是从另外一篇文章(http://community.csdn.net/Expert/TopicView3.asp?id=3564500)的一些对各个类型以及结构体对齐方式的补充:
    为了能使CPU对变量进行高效快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，即所谓的”对齐“。例如对于4字节的int类型变量，其起始地址应该位于4字节边界上，即起始地址能够被4整除。变量的对齐规则如下（32位系统）：
    Type
    Alignment
    char
    在字节边界上对齐
    short (16-bit)
    在双字节边界上对齐
    int and long (32-bit)
    在4字节边界上对齐
    float
    在4字节边界上对齐
    double
    在8字节边界上对齐
    structures
    单独考虑结构体的每个成员，它们在不同的字节边界上对齐。
    其中最大的字节边界数就是该结构的字节边界数。
    
    如果结构体中有结构体，那么这是一个递归的过程。   
    设编译器设定的最大对齐字节边界数为n，对于结构体中的某一成员item，它相对于结构首地址的实际字节对齐数目x应该满足以下规则：
    x = min(n, sizeof(item)
    例如，对于结构体：

1. struct 
2. {
3.    char a; 
4.    long b;
5. }T;

    当位于32位系统，n = 8时：
    a的偏移量为0，b的偏移量为4，中间填充了3个字节，b的x为4。

    当位于32位系统，n = 2时：
    a的偏移量为0，b的偏移为2，中间填充了1个字节，b的x为2。

    结构体的sizeof:
    设结构体的最后一个成员为LastItem，其相对于结构体首地址的偏移为offset（LastItem），其大小为sizeof(LastItem)，结构体的字节对齐数为N，则：结构体的sizeof 为： 若offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)能够被N整除，那么就是offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)，否则，在后面填充，直到能够被N整除。
    另外:
    1） 对于空结构体，sizeof ＝＝ 1；因为必须保证结构体的每一个实例在内存中都有独一无二的地址.
    2）结构体的静态成员不对结构体的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与结构体的实例地址无关。例如：
    struct {static int I;} T;
    struct {char a; static int I;} T1;
    sizeof(T) == 1; sizeof(T1) == 1;




    引用：blog.csdn.net/xuegao007/article/details/1708360