关于内存对齐

关于内存对齐

原作者姓名 Fang

 

正文
什么是内存对齐

    考虑下面的结构：

         struct foo
         {
           char c1;
           short s;
           char c2;
           int i;
          };
   
    假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的，假设c1的地址是0，那么s的地址就应该是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。

    可是，我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序：

         struct foo a;
    printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
    运行，输出：
         c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

    为什么会这样？这就是内存对齐而导致的问题。

为什么会有内存对齐

    以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。
    字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
    无论如何，为了提高程序的性能，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；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。
    一个字或双字操作数跨越了4字节边界，或者一个四字操作数跨越了8字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。
   某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常（#GP）。双四字的自然边界是能够被16整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

编译器对内存对齐的处理

    缺省情况下，c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此，上面的程序输出就变成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
编译器将未对齐的成员向后移，将每一个都成员对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员之间有空洞），但提高了性能。
也正是这个原因，我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中，sizeof(foo) == 12。

如何避免内存对齐的影响

    那么，能不能既达到提高性能的目的，又能节约一点空间呢？有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成：

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
    这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中，sizeof(bar) == 8。

    这个技巧有一个重要的作用，尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变，从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式，而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。
    比如，foo结构，我们的DLL使用默认对齐选项，对齐为
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同时sizeof(foo) == 12。
而第三方将对齐选项关闭，导致
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同时sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的对齐选项

    vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字节边界对齐，相应的，/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说，一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上，取它们中的最小值。也就是：
    min ( sizeof ( member ),  n)
    实际上，1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
    /Zpn选项是应用于整个工程的，影响所有的参与编译的结构。
    要使用这个选项，可以在vc6中打开工程属性页，c/c++页，选择Code Generation分类，在Struct member alignment可以选择。

    要专门针对某些结构定义使用对齐选项，可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )
    意义和/Zpn选项相同。比如：

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()

栈内存对齐

    我们可以观察到，在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。（本来就是两码事）。它总是保持对齐，而且对齐在4字节边界上。

验证代码

#include <stdio.h>

struct foo
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()

int main(int argc, char* argv[])
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;

    struct foo a;
    struct bar b;
    struct foo_pack p;

    printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);

    printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

    printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);

    printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);

    printf("sizeof foo is %d/n", sizeof(foo));
    printf("sizeof bar is %d/n", sizeof(bar));
    printf("sizeof foo_pack is %d/n", sizeof(foo_pack));
   
    return 0;
}

正文完