字节对齐

来源：互联网发布：淘宝买亚马逊礼品卡编辑：程序博客网时间：2024/06/05 06:01

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。
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、GCC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^_^。

由于编译器的不同，对于四字节对齐的定义就不同，有的编译器会自动补齐成四字节，有的不会。这样会造成交叉编译时不兼容。因此在设计数据结构时，应该尽量设计成4字节的倍数。
例如：
struct st
{
char string1[10];
int i;
char ch;
char string2[10];
}
这样是不太好的，有的编译器会自动给i和ch分别补齐为4字节。
好的设计应该是：
struct st
{
char string1[12];
char string2[12];
int i;
char ch;
char ch2;
}
这样无论是什么编译器都不会出现对其的问题，有工作经验的人在设计时都会比较注意这些。

结构体字节对齐

在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时，并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加，这里涉及到内存字节对齐的问题。从理论上讲，对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问，但是事实上不是如此，实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问，这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列，而不是简单地顺序排列，这就是内存对齐。

内存对齐的原因：

1)某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据；

2)提高存取数据的速度。比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据，对于一个int型的变量，若从偶地址单元处存放，则只需一个读取周期即可读取该变量；但是若从奇地址单元处存放，则需要2个读取周期读取该变量。

win32平台下的微软C编译器对齐策略：

1)结构体变量的首地址能够被其最宽数据类型成员的大小整除。编译器在为结构体变量开辟空间时，首先找到结构体中最宽的数据类型，然后寻找内存地址能被该数据类型大小整除的位置，这个位置作为结构体变量的首地址。而将最宽数据类型的大小作为对齐标准。

2)结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量(offset)都是每个成员本身大小的整数倍，如有需要会在成员之间填充字节。编译器在为结构体成员开辟空间时，首先检查预开辟空间的地址相对于结构体首地址的偏移量是否为该成员大小的整数倍，若是，则存放该成员；若不是，则填充若干字节，以达到整数倍的要求。

3)结构体变量所占空间的大小必定是最宽数据类型大小的整数倍。如有需要会在最后一个成员末尾填充若干字节使得所占空间大小是最宽数据类型大小的整数倍。

下面看一下sizeof在计算结构体大小的时候具体是怎样计算的

1.test1 空结构体

typedef struct node

{

}S;

则sizeof(S)=1;或sizeof(S)=0;

在C++中占1字节，而在C中占0字节。

2.test2

typedef struct node1

int a;

char b;

short c;

}S1;

则sizeof(S1)=8。这是因为结构体node1中最长的数据类型是int，占4个字节，因此以4字节对齐，则该结构体在内存中存放方式为

|--------int--------| 4字节

|char|----|--short-| 4字节

总共占8字节

3.test3

typedef struct node2

{

char a;

int b;

short c;

}S2;

则siezof(S3)=12.最长数据类型为int，占4个字节。因此以4字节对齐，其在内存空间存放方式如下:

|char|----|----|----| 4字节

|--------int--------| 4字节

|--short--|----|----| 4字节

总共占12个字节

4.test4 含有静态数据成员

typedef struct node3

{

int a;

short b;

static int c;

}S3;

则sizeof(S3)=8.这里结构体中包含静态数据成员，而静态数据成员的存放位置与结构体实例的存储地址无关(注意只有在C++中结构体中才能含有静态数据成员，而C中结构体中是不允许含有静态数据成员的)。其在内存中存储方式如下：

|--------int--------| 4字节

|--short-|----|----| 4字节

而变量c是单独存放在静态数据区的，因此用siezof计算其大小时没有将c所占的空间计算进来。

5.test5 结构体中含有结构体

typedef struct node4

{

bool a;

S1 s1;

short b;

}S4;

则sizeof(S4)=16。是因为s1占8字节，而s1中最长数据类型为int，占4个字节，bool类型1个字节，short占2字节，因此以4字节对齐，则存储方式为

|-------bool--------| 4字节

|-------s1----------| 8字节

|-------short-------| 4字节

6.test6

typedef struct node5

{

bool a;

S1 s1;

double b;

int c;

}S5;

则sizeof(S5)=32。是因为s1占8字节，而s1中最长数据类型为int，占4字节，而double占8字节，因此以8字节对齐，则存放方式为：

|--------bool--------| 8字节

|---------s1---------| 8字节

|--------double------| 8字节

|----int----|---------| 8字节

7.test7

若在程序中使用了#pragma pack(n)命令强制以n字节对齐时，默认情况下n为8.

则比较n和结构体中最长数据类型所占的字节大小，取两者中小的一个作为对齐标准。

若需取消强制对齐方式，则可用命令#pragma pack()

如果在程序开头使用命令#pragma pack(4)，对于下面的结构体

typedef struct node5

{

bool a;

S1 s1;

double b;

int c;

}S5;

则sizeof(S5)=24.因为强制以4字节对齐，而S5中最长数据类型为double，占8字节，因此以4字节对齐。在内存中存放方式为：

|-----------a--------| 4字节

|--------s1----------| 4字节

|--------b-----------| 4字节

|---------c----------| 4字节

总结一下，在计算sizeof时主要注意一下几点：

1)若为空结构体，则只占1个字节的单元

2)若结构体中所有数据类型都相同，则其所占空间为成员数据类型长度×成员个数

若结构体中数据类型不同，则取最长数据类型成员所占的空间为对齐标准，数据成员包含另一个结构体变量t的话，则取t中最长数据类型与其他数据成员比较，取最长的作为对齐标准，但是t存放时看做一个单位存放，只需看其他成员即可。

3)若使用了#pragma pack(n)命令强制对齐标准，则取n和结构体中最长数据类型占的字节数两者之中的小者作为对齐标准。

另外除了结构体中存在对齐之外，普通的变量存储也存在字节对齐的情况，即自身对齐。编译器规定：普通变量的存储首地址必须能被该变量的数据类型宽度整除。