字节对齐

 

一、什么是对齐，以及为什么要对齐：

1. 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变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各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，这就是对齐。

（编译环境：因特尔64位，linux64位， gcc。 int类型的数据地址总是能被4整除， 其他类型变量类似。）

2. 对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况， 但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为 32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低 字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

二、对齐的实现
通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。
但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为编辑器对数据存放做了对齐，而我们不了解的话，常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。
对齐的算法：
由于各个平台和编译器的不同，现以本人使用的gcc version 3.2.2编译器（32位x86平台）为例子，来讨论编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐的。
设结构体如下定义：
struct A {
    int a;
    char b;
    short c;
};
结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个。所以A用到的空间应该是7字节。但是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。
所以使用sizeof(strcut A)值为8。
现在把该结构体调整成员变量的顺序。
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
这时候同样是总共7个字节的变量，但是sizeof(struct B)的值却是12。
下面我们使用预编译指令#pragma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct C)值是8。

修改对齐值为1：
#pragma pack (1) /*指定按1字节对齐*/
struct D {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct D)值为7。

对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。
这里面有四个概念值：
1)数据类型自身的对齐值：就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。
2)指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。
3)结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。
4)数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。
有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就 是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是 数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整 数倍，结合下面例子理解)。这样就不难理解上面的几个例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指 定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为 4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐 值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存 放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求， 0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续 字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放
在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以 C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

有 了以上的解释，相信你对C语言的字节对齐概念应该有了清楚的认识了吧。在网络程序中，掌握这个概念可是很重要的喔，在不同平台之间（比如在Windows 和Linux之间）传递2进制流（比如结构体），那么在这两个平台间必须要定义相同的对齐方式，不然莫名其妙的出了一些错，可是很难排查的哦^_^。

 

 

 

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位域对齐：

 

 还有一种常见的情况，结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值(普通结构体成员可以）。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。

       使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为： 
       1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止； 
       2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍； 
       3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式（我的gcc环境不压缩）； 
       4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩； 
       5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

        还是让我们来看看例子。

       例4：struct A{ 
                      char f1 : 3; 
                     char f2 : 4; 
                     char f3 : 5; 
                     };

                                 a         b             c
       A的内存布局：111,    1111 *,   11111 * * *

       位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

       例5：struct B{ 
                    char f1 : 3; 
                    short f2 : 4; 
                    char f3 : 5; 
                    };

       由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6（gcc为6)，在Dev-C++中为2。

       例6：struct C{ 
                     char f1 : 3; 
                     char f2; 
                    char f3 : 5; 
                    };

       非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

       考虑一个问题，为什么要设计内存对齐的处理方式呢？如果体系结构是不对齐的，成员将会一个挨一个存储，显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢？体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下，人家就可以跟你解释的，一大堆的道理。

       最后顺便提一点，在设计结构体的时候，一般会尊照一个习惯，就是把占用空间小的类型排在前面，占用空间大的类型排在后面，这样可以相对节约一些对齐空间。

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Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80×86)的对齐策略：
1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
备注：编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能被该基本数据类型所整除的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为上面介绍的对齐模数。
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
备注:为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要，编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。
备注：结构体总大小是包括填充字节，最后一个成员满足上面两条以外，还必须满足第三条，否则就必须在最后填充几个字节以达到本条要求。

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       这里的对齐不影响内置基本类型变量的起始地址， 实验发现无论pragma pack 如何设置，内置类型变量起始地址始终是自身大小的整数倍，当然更不会影响内置基本类型的大小( gnu可以通过 __attribute__来影响变量起始地址, 如aligned(2) 则起始地址是2的倍数， aligned(8), 则起始地址是8的倍数。)。

       而结构体变量起始地址一般会是成员变量最大有效对齐值的整数倍，这样可以保证成员变量按照有效对齐值对齐， 因此设置pragma pack会影响结

构体变量的起始地址， 也同时会影响到结构体各个成员变量的起始地址。 （aligned 以及pack也会影响到有效对齐值）       

       ps: pragma pack 只能设置为2的倍数。