内存对齐

Posted 2020-09-28 Leo_wlCnBlogs

本次试验是在32位系统下进行的。

 

一、什么是内存对齐

       现代计算机中内存空间都是按照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。

       为什么要了解内存对齐：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。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，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，并对两次读出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。这也是空间和时间的博弈。

　　通常我们不需要去主动进行内存对齐的操作，编译器会自动为我们选择最优的对齐规则方式，合理利用空间节省程序运行的时间，但若是我们能了解这种规则，对于我们编写程序还是会有很大的帮助的。

二、对齐内存规则

　　1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

　　2.其他成员变量要对齐到对齐数（编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值）的整数倍的地址处。

　　3.结构体总大小为最大对齐数（除了第一个成员每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

　　4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

 

三、实例解释

 

要想要看出数据的对齐方式，首先你就得明白各种数据类型在各种操作系统下所占字节的大小。

我们来看一下在32位系统下各种参数类型所占字节的大小：

接着我们用几个例子来讲解对齐规则：

（1）

首先我们用一字节对齐的方式来检验我们之前所说的类型所占字节大小：

 1 #pragma pack(1)//让编译器对此结构体作字节对齐
 2 struct A
 3 {
 4         char a;//  1
 5         int b;//   4
 6         short c;// 2
 7         long d;//  4
 8         float e;// 4
 9 };
10 #pragma pack()//取消字节对齐，回复默认字节对齐
11 int main()
12 {
13         struct A a;
14         printf("%d\\n",sizeof(a));
15         return 0;
16 }

如果没有字节对齐（或者为一字节对齐方式），按照我们之前的计算方式，1+4+2+4+4=15，所占字节大小应该为15。

程序运行：

 

（2）我们取消之前的设置，直接使用默认对齐数对齐。

 1 #include <stdio.h>
 2 //#pragma pack(1)//让编译器对此结构体作字节对齐
 3 struct A
 4 {
 5         char a;//  1
 6         int b;//   4
 7         short c;// 2
 8         long d;//  4
 9         float e;// 4
10 };
11 //#pragma pack()//取消字节对齐，回复默认字节对齐
12 int main()
13 {
14         struct A a;
15         printf("%d\\n",sizeof(a));
16         return 0;
17 }

程序运行：

由上图可以看到，明明是一样的程序，只不过取消了1字节对齐，就由原来的占15字节变成了占20字节，这就是字节对齐的原因。

我们用一张图来解释：

　　第一个成员char一开始占用的是0偏移处，占用一个字节位，但由于是4字节对齐，且第二个成员int占用的字节位4，在4字节对齐的规则下，char后面只有三个字节空位，不足以放下，所以在三偏移处另开一个空存放，第三个成员short占用2字节，可以放入，第四个成员long和第五个成员float依照前面的规则正好存放20个字节，20个字节正好为这个结构体的最大对齐数的整数倍，所以这个结构体占用空间为20字节。

 

（3）前面我们说的都是刚好的情况，有些朋友可能还是不能很好的理解这个规则，我们再举几个例子：

 1 #include <stdio.h>
 2 //#pragma pack(1)//让编译器对此结构体作字节对齐
 3 struct A
 4 {
 5         char a;//  1
 6         int b;//   4
 7         short c;// 2
 8         //long d;//  4
 9         //float e;// 4
10 };
11 //#pragma pack()//取消字节对齐，回复默认字节对齐
12 int main()
13 {
14         struct A a;
15         printf("%d\\n",sizeof(a));
16         return 0;
17 }

程序运行：

　　char、int、short按一字节方式为7，但是结构体对齐之后为12，按照我们在（2）中将的方式：char占0偏移处，一字节；int在插入之后放不下，所以另起一个整数倍空间，在3偏移处，占4字节；short在7偏移处，占2字节。总共占10字节，但按照我们之前讲的，整个结构体的大小应该为最大偏移数的整数倍，所以最小整数倍应该为12，所以整个结构体占12字节。

 

（4）如果不信，我们可以在来变化一下结构体内数据验证

 1 #include <stdio.h>
 2 //#pragma pack(1)//让编译器对此结构体作字节对齐
 3 struct A
 4 {
 5         char a;//  1
 6         //int b;//   4
 7         short c;// 2
 8         long d;//  4
 9         char g;//  1
10         //float e;// 4
11 };
12 //#pragma pack()//取消字节对齐，回复默认字节对齐
13 int main()
14 {
15         struct A a;
16         printf("%d\\n",sizeof(a));
17         return 0;
18 }

程序运行：

　　char在0偏移处，占一字节，short为2字节，在最大偏移数的范围内能存下，所以在1偏移处占2字节，long在3偏移处占4字节，char在7偏移处占1字节，总共占9字节，按照对齐规则，总大小应该为4的整数倍，所以总大小为12。

 

 

四、对齐原因

　　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）应该尽可能地访问在自然边界上对齐。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。

 

五、内存对齐的好处

你知道了内存对齐的规则那么我们在编写程序的时候就能编写出更加有效高效的程序。

用一个例子来简单的解释一下：

 1 #include <stdio.h>
 2 
 3 struct A
 4 {
 5         char a;
 6         int b;
 7         short c;
 8 };
 9 struct B
10 {
11         char a;
12         short b;
13         int c;
14 };
15 int main()
16 {
17         struct A a;
18         struct B b;
19         printf("%d\\n",sizeof(a));
20         printf("%d\\n",sizeof(b));
21         return 0;
22 }

程序运行：

结构体内成员都一样但是排列方式不一样，结构体的占用空间不一样。

用两张图就可以简单解释：