【原】一文轻松理解内存对齐

C语言与CPP编程 2021-12-15

展开全文

什么是内存对齐

元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小（通常它为4或8）来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始，这就是所谓的内存对齐。

编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。C语言允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再模糊了。

以一个例子开始了解

理论上，int占4byte，char占一个byte，那么将它们放到一个结构体中应该占4+1=5byte；但是实际上，通过运行程序得到的结果是8 byte，这就是内存对齐所导致的。

#include<stdio.h>

struct{
    int x;
    char y;
}Test;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(Test)); // 输出8不是5
    return 0;
}

为什么要内存对齐

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。
性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。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。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。
现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

内存对齐规则

基本类型的对齐值就是其sizeof值;
数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行;
结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行;

//2020.05.12 公众号：C语言与CPP编程
#include<stdio.h>
struct
{
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}Test1;

struct{
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}Test2;

struct{
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}Test3;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(Test1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(Test2));  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 输出8
    return 0;
}

默认#pragma pack(4)，且结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节，下面根据上面所说的规则以第二个结构体来分析其内存布局：首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

第二个结构体中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

根据上面的分析，不难得出上面例子三个结构体的内存布局如下：

例子三个结构体的内存布局

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。

不同平台上编译器的 pragma pack 默认值不同。而我们可以通过预编译命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16来改变对齐系数。

例如，对于上个例子的三个结构体，如果前面加上#pragma pack(1)，那么此时有效对齐值为1字节，此时根据对齐规则，不难看出成员是连续存放的，三个结构体的大小都是6字节。

有效对齐值为1字节

如果前面加上#pragma pack(2)，有效对齐值为2字节，此时根据对齐规则，三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下：

有效对齐值为2字节

例子

请写出以下代码的输出结果：

#include<stdio.h>
struct S1
{
    int i:8;    
    char j:4;  
    int a:4;  
    double b;
};

struct S2
{
    int i:8;    
    char j:4;  
    double b;
    int a:4;  
};

struct S3
{
    int i;    
    char j;  
    double b;
    int a;     
};

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(S1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(S1);  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 输出8
    return 0;
}

分析问题

在存储某些数据时，其实际需求的数据长度可能要小于一个字节，只占一位或几位。为了节省空间，处理方便，在C中引入了另一种结构，称为“位域”或“位段”。

所谓“位域”，就是把一个字节中的“位”按照实际的需求分成不同的区域，表明每个区域位数、区域的域名，并允许程序按照域名进行操作。如此就可以把不同的对象用一个字节来表示。

位域的定义与结构定义相仿，其形式为：

struct 位域的结构体名
{
   //位域列表
}

位域列表的形式为：【类型说明符】【位域名】：【位域的长度】例如：

struct ab
{
   int a:8;
   int b:2;
   int c:6;
}

对于位域的定义，有以下几点说明：

（1）一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

例如：

struct wy
{
   unsigned a:6;
   unsigned 0;     //空域
   unsigned b:4;   //从一单元开始存放
   unsigned c:4;   
}

在这个位域定义中，a占第一字节的6位，后2位填0表示不使用，b从第二字节开始，占用4位，c占用4位。内存结构如下图所示。

存储结构图

（2）由于位域不允许跨两个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度，也就是不能超过8位二进位。

（3）位域可以无位域名，这时它只用来填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。

例如：

struct wk
{
   int a:1;
   int :2;     //不能使用
   int b:3;  
   int c:2;   
}

存储结构图

从以上述分析可以看出，位域可以看做是一种结构类型，其特点是成员均按二进位分配。

根据以上分析可知，在s1中i在相对0的位置，占8位即第1个字节。j就在相对第2个字节的位置。由于一个位置的字节数是4位的倍数，因此不用对齐，可以就放在那里。a要放在4位倍数关系的位置上，因此不用对齐，就放在那里。

目前总共是16位，2字节，由于double是8字节的，因此要在距相对0位置为8个字节的位置处放下。所以从16位开始到8个字节之间的位置被忽略，直接放在相对第8字节的位置，因此，s1总共占16字节。存储结构如下图所示。

S1存储结构

在s2中，每个数据都要对照结构体内最大数据的最小公倍数补齐。如i，j共12位，小于double的8个字节需按8字节补齐，a位也要按8字节补齐，共24个字节，存储结构如下图所示。

s2的存储结构

在s3中，i是int型数据（按32位机分析）占4个字节，j是char型数据占一个字节，a是int型数据占4个字节，b是double型数据占8个字节。在此b是最大的数据类型，因此i、j、a都要向b的double型对齐，即i、j、a的数据长度要向b对齐为8个字节，四个数据共占据32个字节。s3的存储结构如下图所示。

s3的存储结构

答案

sizeof(S1)=16

sizeof(S2)=24

sizeof(S3)=32

说明：结构体作为一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型的变量，也可以是一些复合型类型数据。对此，编译器会自动进行成员变量的对齐以提高运算效率。默认情况下，按自然对齐条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同，向结构体成员中size最大的成员对齐。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k（通常它为4或8）的倍数，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数。