什么是內(nèi)存對(duì)齊

元素是按照定義順序一個(gè)一個(gè)放到內(nèi)存中去的，但并不是緊密排列的。從結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)的首地址開始，每個(gè)元素放置到內(nèi)存中時(shí)，它都會(huì)認(rèn)為內(nèi)存是按照自己的大小（通常它為4或8）來劃分的，因此元素放置的位置一定會(huì)在自己寬度的整數(shù)倍上開始，這就是所謂的內(nèi)存對(duì)齊。

編譯器為程序中的每個(gè)“數(shù)據(jù)單元”安排在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。C語言允許你干預(yù)“內(nèi)存對(duì)齊”。如果你想了解更加底層的秘密，“內(nèi)存對(duì)齊”對(duì)你就不應(yīng)該再模糊了。

以一個(gè)例子開始了解

理論上，int占4byte，char占一個(gè)byte，那么將它們放到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中應(yīng)該占4+1=5byte；但是實(shí)際上，通過運(yùn)行程序得到的結(jié)果是8 byte，這就是內(nèi)存對(duì)齊所導(dǎo)致的。

#include<stdio.h>

struct{
    int x;
    char y;
}Test;

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

為什么要內(nèi)存對(duì)齊

1. 平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

2. 性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

• 假如沒有內(nèi)存對(duì)齊機(jī)制，數(shù)據(jù)可以任意存放，現(xiàn)在一個(gè)int變量存放在從地址1開始的聯(lián)系四個(gè)字節(jié)地址中，該處理器去取數(shù)據(jù)時(shí)，要先從0地址開始讀取第一個(gè)4字節(jié)塊,剔除不想要的字節(jié)（0地址）,然后從地址4開始讀取下一個(gè)4字節(jié)塊,同樣剔除不要的數(shù)據(jù)（5，6，7地址）,最后留下的兩塊數(shù)據(jù)合并放入寄存器。這需要做很多工作。

• 現(xiàn)在有了內(nèi)存對(duì)齊的，int類型數(shù)據(jù)只能存放在按照對(duì)齊規(guī)則的內(nèi)存中，比如說0地址開始的內(nèi)存。那么現(xiàn)在該處理器在取數(shù)據(jù)時(shí)一次性就能將數(shù)據(jù)讀出來了，而且不需要做額外的操作，提高了效率。

內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則

1. 基本類型的對(duì)齊值就是其sizeof值;

2. 數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行;

3. 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對(duì)齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行;

//2020.05.12 公眾號(hào)：C語言與CPP編程
#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));  // 輸出8
    printf("%d\n",sizeof(Test2));  // 輸出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 輸出8
    return 0;
}

默認(rèn)#pragma pack(4)，且結(jié)構(gòu)體中最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)類型為4個(gè)字節(jié)，所以有效對(duì)齊單位為4字節(jié)，下面根據(jù)上面所說的規(guī)則以第二個(gè)結(jié)構(gòu)體來分析其內(nèi)存布局： 首先使用規(guī)則1，對(duì)成員變量進(jìn)行對(duì)齊：

• sizeof(c1) = 1 <= 4(有效對(duì)齊位)，按照1字節(jié)對(duì)齊，占用第0單元；

• sizeof(i) = 4 <= 4(有效對(duì)齊位)，相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移要為4的倍數(shù)，占用第4，5，6，7單元；

• sizeof(c2) = 1 <= 4(有效對(duì)齊位)，相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移要為1的倍數(shù)，占用第8單元；

然后使用規(guī)則2，對(duì)結(jié)構(gòu)體整體進(jìn)行對(duì)齊：

第二個(gè)結(jié)構(gòu)體中變量i占用內(nèi)存最大占4字節(jié)，而有效對(duì)齊單位也為4字節(jié)，兩者較小值就是4字節(jié)。因此整體也是按照4字節(jié)對(duì)齊。由規(guī)則1得到s2占9個(gè)字節(jié)，此處再按照規(guī)則2進(jìn)行整體的4字節(jié)對(duì)齊，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體占用12個(gè)字節(jié)。

根據(jù)上面的分析，不難得出上面例子三個(gè)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局如下：

例子三個(gè)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局

更改C編譯器的缺省字節(jié)對(duì)齊方式：

在缺省情況下，C編譯器為每一個(gè)變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對(duì)界條件分配空間。一般地，可以通過下面的方法來改變?nèi)笔〉膶?duì)界條件：

• 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊。

• 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。

另外，還有如下的一種方式：

• __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結(jié)構(gòu)成員對(duì)齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結(jié)構(gòu)中有成員的長(zhǎng)度大于n，則按照最大成員的長(zhǎng)度來對(duì)齊。

• attribute((packed))，取消結(jié)構(gòu)在編譯過程中的優(yōu)化對(duì)齊，按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊。

不同平臺(tái)上編譯器的 pragma pack 默認(rèn)值不同。而我們可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16來改變對(duì)齊系數(shù)。

例如，對(duì)于上個(gè)例子的三個(gè)結(jié)構(gòu)體，如果前面加上#pragma pack(1)，那么此時(shí)有效對(duì)齊值為1字節(jié)，此時(shí)根據(jù)對(duì)齊規(guī)則，不難看出成員是連續(xù)存放的，三個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小都是6字節(jié)。

有效對(duì)齊值為1字節(jié)

如果前面加上#pragma pack(2)，有效對(duì)齊值為2字節(jié)，此時(shí)根據(jù)對(duì)齊規(guī)則，三個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小應(yīng)為6,8,6。內(nèi)存分布圖如下：

有效對(duì)齊值為2字節(jié)

例子

請(qǐng)寫出以下代碼的輸出結(jié)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));  // 輸出8
    printf("%d\n",sizeof(S1);  // 輸出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 輸出8
    return 0;
}

分析問題

在存儲(chǔ)某些數(shù)據(jù)時(shí)，其實(shí)際需求的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可能要小于一個(gè)字節(jié)，只占一位或幾位。為了節(jié)省空間，處理方便，在C中引入了另一種結(jié)構(gòu)，稱為“位域”或“位段”。

所謂“位域”，就是把一個(gè)字節(jié)中的“位”按照實(shí)際的需求分成不同的區(qū)域，表明每個(gè)區(qū)域位數(shù)、區(qū)域的域名，并允許程序按照域名進(jìn)行操作。如此就可以把不同的對(duì)象用一個(gè)字節(jié)來表示。

位域的定義與結(jié)構(gòu)定義相仿，其形式為：

struct 位域的結(jié)構(gòu)體名
{
   //位域列表
}

位域列表的形式為：【類型說明符】 【位域名】：【位域的長(zhǎng)度】例如：

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

對(duì)于位域的定義，有以下幾點(diǎn)說明：

（1）一個(gè)位域必須存儲(chǔ)在同一個(gè)字節(jié)中，不能跨兩個(gè)字節(jié)。如一個(gè)字節(jié)所?？臻g不夠存放另一位域時(shí)，應(yīng)從下一單元起存放該位域。也可以有意使某位域從下一單元開始。

例如：

struct wy
{
   unsigned a:6;
   unsigned 0;     //空域
   unsigned b:4;   //從一單元開始存放
   unsigned c:4;   
}

在這個(gè)位域定義中，a占第一字節(jié)的6位，后2位填0表示不使用，b從第二字節(jié)開始，占用4位，c占用4位。內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示。

存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

（2）由于位域不允許跨兩個(gè)字節(jié)，因此位域的長(zhǎng)度不能大于一個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度，也就是不能超過8位二進(jìn)位。

（3）位域可以無位域名，這時(shí)它只用來填充或調(diào)整位置。無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;   
}

存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

從以上述分析可以看出，位域可以看做是一種結(jié)構(gòu)類型，其特點(diǎn)是成員均按二進(jìn)位分配。

根據(jù)以上分析可知，在s1中i在相對(duì)0的位置，占8位即第1個(gè)字節(jié)。j就在相對(duì)第2個(gè)字節(jié)的位置。由于一個(gè)位置的字節(jié)數(shù)是4位的倍數(shù)，因此不用對(duì)齊，可以就放在那里。a要放在4位倍數(shù)關(guān)系的位置上，因此不用對(duì)齊，就放在那里。

目前總共是16位，2字節(jié)，由于double是8字節(jié)的，因此要在距相對(duì)0位置為8個(gè)字節(jié)的位置處放下。所以從16位開始到8個(gè)字節(jié)之間的位置被忽略，直接放在相對(duì)第8字節(jié)的位置，因此，s1總共占16字節(jié)。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

S1存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在s2中，每個(gè)數(shù)據(jù)都要對(duì)照結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大數(shù)據(jù)的最小公倍數(shù)補(bǔ)齊。如i，j共12位，小于double的8個(gè)字節(jié)需按8字節(jié)補(bǔ)齊，a位也要按8字節(jié)補(bǔ)齊，共24個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

s2的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在s3中，i是int型數(shù)據(jù)（按32位機(jī)分析）占4個(gè)字節(jié)，j是char型數(shù)據(jù)占一個(gè)字節(jié)，a是int型數(shù)據(jù)占4個(gè)字節(jié)，b是double型數(shù)據(jù)占8個(gè)字節(jié)。 在此b是最大的數(shù)據(jù)類型，因此i、j、a都要向b的double型對(duì)齊，即i、j、a的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度要向b對(duì)齊為8個(gè)字節(jié)，四個(gè)數(shù)據(jù)共占據(jù)32個(gè)字節(jié)。s3的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

s3的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

答案

sizeof(S1)=16

sizeof(S2)=24

sizeof(S3)=32

說明：結(jié)構(gòu)體作為一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型的變量，也可以是一些復(fù)合型類型數(shù)據(jù)。對(duì)此，編譯器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行成員變量的對(duì)齊以提高運(yùn)算效率。默認(rèn)情況下，按自然對(duì)齊條件分配空間。各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同，向結(jié)構(gòu)體成員中size最大的成員對(duì)齊。

許多實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會(huì)要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個(gè)數(shù)k（通常它為4或8）的倍數(shù)，而這個(gè)k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對(duì)齊模數(shù)。