在了解内存对齐方式前,先介绍计算机的存储方式:Big Endian与Little Endian:
- Big Endian 即数据的高位在低地址,地位在高地址,并且把最高字节的地址作为变量的首地址
- Little Endian 即数据的高位在高地址,数据的低位在低地址,并且把最低字节的地址作为变量首地址。
#include<iostream> using namespace std; void main() { char ch[]={0x12,0x34,0x56,0x78}; int* p=(int*)ch; cout<<hex<<*p<<endl;//如果是78563412,说明是 Little Endian,如果是12345678,则是Big Endian }自然对齐:如果一个变量的内存地址正好位于它字节长度的整数倍,它就被称做自然对齐
对于标准数据类型,它的地址只要是它的长度的整数倍,而非标准数据类型按下面的原则对齐:
数组 :按照基本数据类型对齐,只要第一个对齐后面的自然也就对齐。
联合 :按其包含的长度最大的数据类型对齐。
结构体: 结构体中每个数据类型都要对齐。
字节对齐的好处:
字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。学过微机原理的都知道规则字和非规则字,8086cpu访问规则字只要一个周期,而访问非规则字需要两个周期。在这里原理也是一样的,只不过这里是32位的操作系统,最多一次访问4字节,而8086是16位的,一次最多访问2字节。假设上面整型变量的地址是自然对齐,比如为0x00000000,则CPU如果取它的值的话需要访问一次内存,一次直接取从0x00000000-0x00000003的一个int型,如果变量在0x00000001,则第一次访问0x00000001的char型,第二次取从0x00000002-0x00000003的short型,第三次是0x00000004的char型,然后组合得到所要的数据,如果变量在0x00000002地址上的话则要访问两次内存,第一次为short,第二次为short,然后组合得到整型数据。如果变量在0x00000003地址上的话,则与在 0x00000001类似。
我们通过下面的例子来说明自然对齐:
#include<iostream> using namespace std; void main() { int a=0x0abcde11;//a b c 的地址依次减小 int b=0x012345678; double c=0x0f23456789abcdef1; char d=0x0fa; char *ptr=(char*)&a; printf("a b每个字节的内容:\n"); printf(" 地址 :内容\n"); for(int i=0;i<8;i++) printf("%x :%x\n",ptr+3-i,*(ptr+3-i));//说明整数是按 little-endian存储的 printf("\na b c d的首地址和地址与字节长度的余值:\n"); printf("a: %x :%d\n",&a,long(&a)%sizeof(a));//从这里可以看成变量的内存地址按变量顺序递减的 printf("b: %x :%d\n",&b,long(&b)%sizeof(b));//各个变量并不一定存放在连续的内存单元 printf("c: %x :%d\n",&c,long(&c)%sizeof(c)); printf("d: %x :%d\n",&d,long(&d)%sizeof(d)); }上面程序在我电脑的运行结果为:
由上面的结果可以知道:
- 地址随变量顺序而减小(你可以通过改变变量定义顺序来测试);
- 我的电脑采用的是Little Endian;
- 各个变量并不一定存放在连续的内存单元(由c d的地址可知)
对于数组,无论是静态数组还是动态数组都是连续存储的,可以用下面程序来查看:
#include<iostream> using namespace std; void main() { int array[5]={0}; for(int i=0;i<5;i++) cout<<&array[i]<<endl;//输出静态数组的每个元素的地址 cout<<endl; int *pt=new int[5]; for( i=0;i<5;i++) cout<<hex<<(pt+i)<<endl;//输出动态数组的每个元素的地址 cout<<endl; delete []pt;//注意要释放内存 }
上面我们讨论了基本数据类型的内存存储,下面我们来看看类的存储结构:
首先我们看看下面这个类:
class person1 { bool m_isMan; float m_height; bool m_isFat; double m_weight; unsigned char m_books; }; cout<<sizeof(person1)<<endl;//32=4+4+8+8+8
这里person类的长度为32,其内存单元示意图如下:
在这里是按8字节边界来对齐的
上述变量已经都自然对齐了,为什么person对象最后还要填充7字节?
因为当你定义person类型的数组时,如果不填充7字节,则除了第一个元素外其它的元素就可能不是自然对齐了。
下面通过使用编译指令来定义对齐方式:
#pragma pack(push,4)// 按4字节边界对齐 class person2 { bool m_isMan; float m_height; bool m_isFat; double m_weight; unsigned char m_books; }; cout<<sizeof(person2)<<endl;//24=4+4+4+8+4 #pragma pack(pop)这里person类的长度为24,其内存单元示意图如下:
显然,在这里m_weight的地址不一定能被8整除,即不一定是自然对齐的。
从上面可以知道,内存的大小和存取的效率随编译方式和变量定义有关,最好的方法是:按照字节大小从大到小依次定义变量成员,并尽可能采用小的成员对齐方式。
- 从小到大定义变量:
//按照从小到大字节长度来定义变量 class person4 { bool m_isMan; bool m_isFat; unsigned char m_books; float m_height; double m_weight; }; cout<<sizeof(person4)<<endl;//16=1+1+1+1字节的填充+4+8
这里person类的长度为16,其内存单元示意图如下:
- 从大到小定义变量:
//按照从大到小字节长度来定义变量 class person3 { double m_weight; float m_height; unsigned char m_books; bool m_isMan; bool m_isFat; }; cout<<sizeof(person3)<<endl;//16=8+4+1+1+1+1字节的填充
这里person类的长度为16,其内存单元示意图如下:
从上面可以看出两者所占内存一样,但是稳定度不同,从小到大的方式的对齐方式而发生有的成员变量不会自然对齐。如下所示
#pragma pack(push,1)// 按4字节边界对齐 class person5 { bool m_isMan; bool m_isFat; unsigned char m_books; float m_height; double m_weight; }; cout<<sizeof(person5)<<endl;//15=1+1+1+4+8 #pragma pack(pop)
这里person类的长度为15,其内存单元示意图如下: