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深入理解c/c++ 內(nèi)存對齊

更新時間：2014年01月09日 16:05:20 作者：

這篇文章主要介紹了c/c++ 內(nèi)存對齊，有需要的朋友可以參考一下

內(nèi)存對齊,memory alignment.為了提高程序的性能，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齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；然而，對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
內(nèi)存對齊一般講就是cpu access memory的效率(提高運行速度)和準(zhǔn)確性(在一些條件下,如果沒有對齊會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不同步現(xiàn)象).依賴cpu,平臺和編譯器的不同.一些cpu要求較高(這句話說的不準(zhǔn)確,但是確實依賴cpu的不同),而有些平臺已經(jīng)優(yōu)化內(nèi)存對齊問題,不同編譯器的對齊模數(shù)不同.總的來說內(nèi)存對齊屬于編譯器的問題.

一般情況下不需要理會內(nèi)存對齊問題,內(nèi)存對齊是編譯器的事情.但碰到一些問題上還是需要理解這個概念.畢竟c/c++值直接操作內(nèi)存的語言.需要理解程序在內(nèi)存中的分布和運行原理.

總之一句話就是:不要讓代碼依賴內(nèi)存對齊.

1.原因:為什么需要內(nèi)存對齊.
1、平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺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齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

2.內(nèi)存對齊的規(guī)則和范例
講述內(nèi)存對齊之前先看下各種類型的大小,和編譯器以及字長有關(guān)具體在此不多敘述.
具體帖子:http://blog.csdn.net/lyl0625/article/details/7350045
成員的內(nèi)存分配規(guī)律：從結(jié)構(gòu)體的首地址開始向后依次為每個成員尋找第一個滿足條件的首地址x，該條件是x % N = 0，并且整個結(jié)構(gòu)的長度必須為各個成員所使用的對齊參數(shù)中最大的那個值的最小整數(shù)倍,不夠就補空字節(jié)。
結(jié)構(gòu)體中所有成員的對齊參數(shù)N的最大值稱為結(jié)構(gòu)體的對齊參數(shù)。

1、數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員的對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值(或默認(rèn)值)和這個數(shù)據(jù)成員類型長度中，比較小的那個進行。在上一個對齊后的地方開始尋找能被當(dāng)前對齊數(shù)值整除的地址.
2、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進行對齊.主要體現(xiàn)在,最后一個元素對齊后,后面是否填補空字節(jié),如果填補,填補多少.對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值(或默認(rèn)值)和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員類型長度中，比較小的那個進行。
3、結(jié)合1、2顆推斷：當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員類型長度的時候，這個n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。
兩點注意:數(shù)組,嵌套結(jié)構(gòu)體.
數(shù)組:
對齊值為:min(數(shù)組元素類型,指定對齊長度).但數(shù)組中的元素是連續(xù)存放,存放時還是按照數(shù)組實際的長度.
如char t[9],對齊長度為1,實際占用連續(xù)的9byte.然后根據(jù)下一個元素的對齊長度決定在下一個元素之前填補多少byte.
嵌套的結(jié)構(gòu)體:
假設(shè)
struct A
{
......
struct B b;
......
};
對于B結(jié)構(gòu)體在A中的對齊長度為:min(B結(jié)構(gòu)體的對齊長度,指定的對齊長度).
B結(jié)構(gòu)體的對齊長度為:上述2中結(jié)構(gòu)整體對齊規(guī)則中的對齊長度.

例子:
VC++6.0中n 默認(rèn)是8個字節(jié)，可以修改這個設(shè)定的對齊參數(shù)
也可以采用指令：#pragma pack(xx)控制.

1.基礎(chǔ)例子

復(fù)制代碼代碼如下:

#pragma   pack(n)
struct A
{
char   c; //1byte
double d; //8byte
short s; //2byte
int i; //4byte
};
int main(int argc, char* argv[])
{
A strua;
printf("%len:d\n",sizeof(A));
printf("%d,%d,%d,%d",&strua.c,&strua.d,&strua.s,&strua.i);
return 0;
}

1）n設(shè)置為8byte時
結(jié)果：len:24,
1245032,1245040,1245048,1245052
內(nèi)存中成員分布如下：
strua.c分配在一個起始于8的整數(shù)倍的地址1245032（為什么是這樣讀者先自己思考，讀完就會明白），接下來要在strua.c之后分配strua.d，由于double為8字節(jié),取N=min(8,8)，8字節(jié)來對齊，所以從strua.c向后找第一個能被8整除的地址，所以取1245032+8得1245040, strua.s 為2byte小于參數(shù)n,所以N=min（2，8），即N=2，取2字節(jié)長度對齊，所以要從strua.d后面尋找第一個能被2整除的地址來存儲strua.s，由于strua.d后面的地址為1245048可以被2整除，所以strua.s緊接著分配,現(xiàn)在來分配strua.i,int為4byte，小于指定對齊參數(shù)8byte，所以N=min（4，8）取N=4byte對齊，strua.s后面第一個能被4整除地址為1245048+4，所以在1245048+4的位置分配了strua.i，中間補空，同時由于所有成員的N值的最大值為8，所以整個結(jié)構(gòu)長度為8byte的最小整數(shù)倍，即取24byte其余均補0.
于是該結(jié)構(gòu)體的對齊參數(shù)就是8byte。
2）當(dāng)對齊參數(shù)n設(shè)置為16byte時，結(jié)果同上，不再分析
3）當(dāng)對齊參數(shù)設(shè)置為4byte時
上例結(jié)果為：Len:20
1245036,1245040,1245048,1245052
內(nèi)存中成員分布如下：
Strua.c起始于一個4的整數(shù)倍的地址，接下來要在strua.c之后分配strua.d，由于strua.d長度為8byte，大于對齊參數(shù)4byte，所以N=min（8，4）取最小的4字節(jié),所以向后找第一個能被4整除的地址來作為strua.d首地址，故取1245036+4，接著要在strua.d后分配strua.s，strua.s長度為2byte小于4byte，取N=min（2，4）2byte對齊，由于strua.d后的地址為1245048可以被2
整除，所以直接在strua.d后面分配，strua.i的長度為4byte，所以取N=min（4，4）4byte對齊，所以從strua.s向后找第一個能被4整除的位置即1245048+4來分配和strua.i，同時N的最大值為4byte，所以整個結(jié)構(gòu)的長度為4byte的最小整數(shù)倍20byte
4）當(dāng)對齊參數(shù)設(shè)置為2byte時
上例結(jié)果為：Len:16
1245040,1245042,1245050,1245052
Strua.c分配后，向后找一第一個能被2整除的位置來存放strua.d,依次類推
5）1byte對齊時：
上例結(jié)果為：Len:15
1245040,1245041,1245049,1245051
此時，N=min（sizeof（成員），1），取N=1，由于1可以整除任何整數(shù)，所以各個成員依次分配，沒有間空.
6）當(dāng)結(jié)構(gòu)體成員為數(shù)組時，并不是將整個數(shù)組當(dāng)成一個成員來對待，而是將數(shù)組的每個元素當(dāng)一個成員來分配，其他分配規(guī)則不變，如將上例的結(jié)構(gòu)體改為:
struct A
{
char c; //1byte
double d; //8byte
short s; //2byte
char szBuf[5];
};
對齊參數(shù)設(shè)置為8byte，則，運行結(jié)果如下：
Len:24
1245032,1245040,1245048,1245050
Strua 的s分配后，接下來分配Strua 的數(shù)組szBuf[5]，這里要單獨分配它的每個元素，由于是char類型，所以N=min(1,8)，取N=1，所以數(shù)組szBuf[5]的元素依次分配沒有間隙。

看完上述的例子,基本分配的規(guī)律和方法應(yīng)該已經(jīng)知道.下面主要說明數(shù)組,嵌套結(jié)構(gòu)體,指針時的一些內(nèi)存對齊問題.
最重要的是自己寫程序證明.

2.數(shù)組,嵌套.
測試環(huán)境:64位 ubuntu;g++ (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3

復(fù)制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;
#pragma pack(8)
struct Args
{
        char ch;
        double d;
        short st;
        char rs[9];
        int i;
} args;
struct Argsa
{
        char ch;
        Args test;
        char jd[10];
        int i;
}arga;

int main()
{
// cout <<sizeof(char)<<" "<<sizeof(double)<<" "<<sizeof(short)<<" "<<sizeof(int)<<endl;
//cout<<sizeof(long)<<" "<<sizeof(long long)<<" "<<sizeof(float)<<endl;
cout<<"Args:"<<sizeof(args)<<endl;
cout<<""<<(unsigned long)&args.i-(unsigned long)&args.rs<<endl;
cout<<"Argsa:"<<sizeof(arga)<<endl;
cout<<"Argsa:"<<(unsigned long)&arga.i -(unsigned long)&arga.jd<<endl;
cout<<"Argsa:"<<(unsigned long)&arga.jd-(unsigned long)&arga.test<<endl;
return 0;
}

輸出結(jié)果:
Args:32
10
Argsa:56
Argsa:12
Argsa:32

struct Args長度32 struct Argsa長度:56.
改成#pragma pack (16)結(jié)果一樣.
這個例子證明了三點:
對齊長度長于struct中的類型長度最長的值時,設(shè)置的對齊長度等于無用.
數(shù)組對齊的長度是按照數(shù)組成員類型長度來比對的.
嵌套的結(jié)構(gòu)體中,所包含的結(jié)構(gòu)體的對齊長度是結(jié)構(gòu)體的對齊長度.

3.指針.主要是因為32位和64位機尋址上
測試環(huán)境同2.(64位系統(tǒng))

復(fù)制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <cstdio>
#pragma pack(4)
using namespace std;

struct Args
{
        int i;
        double d;
        char *p;
        char ch;
        int *pi;
}args;
int main()
{
        cout<<"args length:"<<sizeof(args)<<endl;
        cout<<(unsigned long)&args.ch-(unsigned long)&args.p<<endl;
        cout<<(unsigned long)&args.pi-(unsigned long)&args.ch<<endl;
        return 0;
}

設(shè)置pack為4時:
args length:32
8
4

設(shè)置pack為8時:
args length:40
8
8
看了上述內(nèi)容,應(yīng)該能分析出來為什么是這個結(jié)果.這里不詳細(xì)描述.

3.不同編譯器中內(nèi)存對齊
VC 6.0上是8 byte

gcc 默認(rèn)是8byte.測試版本gcc (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3
g++默認(rèn)是8byte.測試版本g++ (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3
但查閱的資料說是gcc 默認(rèn)是4,且不支持pragma參數(shù)設(shè)定.測試的時候gcc默認(rèn)對齊為8byte且,支持pragma參數(shù).
測試過兩個不同的例子,結(jié)果相同.

4.什么時候需要進行內(nèi)存對齊.
一般情況下都不需要對編譯器進行的內(nèi)存對齊規(guī)則進行修改，因為這樣會降低程序的性能，除非在以下兩種情況下：

（1）這個結(jié)構(gòu)需要直接被寫入文件；

（2）這個結(jié)構(gòu)需通過網(wǎng)絡(luò)傳給其他程序；

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