内存对齐详解

2023-10-29 11:31:58

摘要

本文描述了内存对齐的各种概念和内存管理的其他知识点，应用相应的程序示例进行解释。

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类型变量的时候经常在特定的内存地址访问， 这就需要各种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，这就是内存对齐。

二、内存对齐的原因

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。

三、对齐规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”（也叫对齐模数）。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16 来改变这一系数，其中的n 就是你要指定的“对齐系数”。

规则1

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。

规则2 

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。

规则3 

结合1、2 可推断：当#pragma pack 的n 值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

四、试验

接下来我们通过实际例子来说明这些规则。

试验环境：编译器包括GCC 3.4.2 和VC6.0 的C 编译器。

平台：Windows XP SP2。

我们将用典型的struct 对齐来说明。首先我们定义一个struct：


#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t{
    int a;
    char b;
    short c;
    char d;
};

#pragma pack(n)

首先我们首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为：

sizeof(char) = 1

sizeof(short) = 2

sizeof(int) = 4

验证过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后查看sizeof(struct test_t)的值。

字节对齐(#pragma pack(1))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]

分析过程：

成员数据对齐


#pragma pack(1)

struct test_t {

    /* 长度4 < 1 按1 对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */   
    int a;

    /* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
    char b;

    /* 长度2 > 1 按1 对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */
    short c;

    /* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7] */
    char d;
};

#pragma pack()

成员总大小=8

整体对齐

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 1) = 1

整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 8 /* 8%1=0 */ [注1]

[注1] 什么是圆整

举例说明：如上面的8 字节对齐中的“整体对齐”，整体大小=9 按4 圆整= 12

圆整的过程：从9 开始每次加一，看是否能被4 整除，这里9，10，11 均不能被4 整除，到12 时可以，则圆整结束。

字节对齐(#pragma pack(2))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]

分析过程：

成员数据对齐


#pragma pack(2)

struct test_t {

    /* 长度4 > 2 按2 对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */
    int a;

     /* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
    char b;

    /* 长度2 = 2 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
    short c;

    /* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
    char d;
};

#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 2) = 2

整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 10 /* 10%2=0 */

字节对齐(#pragma pack(4))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

成员数据对齐


#pragma pack(4)

struct test_t {

    /* 长度4 = 4 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
    int a;

    /* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
    char b;

    /* 长度2 < 4 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
    short c;

    /* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
    char d;
};

#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 4) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

字节对齐(#pragma pack(8))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

成员数据对齐


#pragma pack(8)

struct test_t {

    /* 长度4 < 8 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
    int a;

    /* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
    char b;

    /* 长度2 < 8 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
    short c; 

    /* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
    char d;
};

#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 8) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

字节对齐(#pragma pack(16))

输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]

分析过程：

成员数据对齐


#pragma pack(16)

struct test_t {

    /* 长度4 < 16 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
    int a;

    /* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */
    char b;

    /* 长度2 < 16 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */
    short c;

    /* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */
    char d;
};

#pragma pack()

成员总大小=9

整体对齐

整体对齐系数= min((max(int,short,char), 16) = 4

整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */

五、结论

8 字节和16 字节对齐试验证明了“规则”的第3 点：“当#pragma pack 的n 值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n 值的大小将不产生任何效果”。

补充

对齐方式设置

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或数据单元按其自然对齐条件分配空间（自然对齐：结构中对齐要求最严格的作为对齐字节数，对齐要求最严格即占用空间最大的，例如double比int要求严格）。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对齐条件：  
1）使用伪指令#pragma    pack    (n)，C编译器将按照n个字节对齐。  
2）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：  
1） __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。  
2）__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。

计算sizeof( value )必需遵循的原则

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 后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始。( 如int在32位机为4字节, 则要从4的整数倍地址开始存储)

结构体作为成员对齐规则:  

如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。(struct a里存有struct b, b里有char, int , double等元素, 那b应该从8的整数倍开始存储。)  

 

 结构体的总大小即sizeof的结果.必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要补齐。

计算偏移offsetof宏

#define offsetof(s,m)   (size_t)&(((s *)0)->m) 

s是一个结构名，它有一个名为m的成员（s和m 是宏offsetof的形参，它实际是返回结构s的成员m的偏移地址。(s *)0 是骗编译器说有一个指向类（或结构）s的指针，其地址值0。&((s *)0)->m 是要取得类（或结构）s中成员变量m的地址。因基址为0，这时m的地址当然就是m在s中的偏移。最后转换size_t 型，即unsigned int。

 

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER);

(TYPE *)0，将0强制转换为 TYPE 型指针，记 p = (TYPE *)0，p是指向TYPE的指针，它的值是0。那么 p->MEMBER 就是 MEMBER 这个元素，而&(p->MEMBER)就是MENBER的地址，而基地址为0，这样就巧妙的转化为TYPE中的偏移量。再把结果强制转换为size_t型即可，size_t其实也就是int。
typedef __kernel_size_t  size_t;
typedef unsigned int __kernel_size_t;   

 可见，该宏的作用就是求出MEMBER在TYPE中的偏移量。


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