c/c++内存对齐详解



c/c++内存对齐详解

   一、为什么会有内存对齐?

      进行内存对齐的作用主要有两个.

       ( 1 )平台移植 :   不是所有的硬件平台都能够访问任意地址上的数据，

       ( 2 )性能 :  内存对齐后访问速度提升了 (对于访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。)

       为什么内存对齐会提升效率?

CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2、4、8、16字节等大小。CPU在读取内存的时候是一块一块读取的。块大小即memory access granularity：内存读取粒度。

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据，看下列2种情况：
（1）数据从0字节开始；
（2）数据从1字节开始；
假设内存读取粒度是4.

情况（1）的时候，CPU只需一次便可把4字节读取出来。
但是情况（2）的时候，要复杂一些。这个时候CPU先访问一次内存，读取0-3字节进寄存器，再读取4-7字节进寄存器，然后把0、6、7、8字节的数据删除掉，最后合并1-4字节的数据。可以看出，如果内存没有对齐，所进行的操作要复杂得多。

   二、对齐规则?

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。
规则：
(1)数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
(2)结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。
(3)当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

  三、示例代码

           #include<stdio.h>
struct test
{
char a;
int b;
char c;
double d;
char e;
};
int main(void)
{
printf("%d\n",sizeof(struct test));
return 1;
}
输出结果为24
我的执行环境是Debian Linux（内核2.6.18），gcc 4.1.2，其实与在windows下使用vc的原理是一样的而且不对默认对齐进行修改的话，结果也是一样的。

四、分析
默认情况下，c/c++一般是设置对齐系数为4，对于上面的例子也是如此。从上面的结果我们可以看出结构体test占用的内存大小为24，而不是1+4+1+8+1=15，那么24是如何得到的呢？
按照二(1)中的规则对各个成员占用的内存进行分析如下：
struct test
{
char a; /*长度1 < 4 按1对齐；起始offset=0, 0%1=0，存放区间[0]*/
int b; /*长度4 = 4 按4对齐；起始offset=1, 4%4=0；存放位置区间[4,7] */
char c; /*长度1 < 4 按1对齐；起始offset=8, 8%1=0，存放区间[8]*/
double d;/*长度8 > 4 按4对齐；起始offset=9, 12%4=0，存放区间[12,19]*/*/
char e; /*长度1 < 4 按1对齐；起始offset=20, 20%1=0，存放区间[20]*/
};
在按照二(2)中的规则对结构体整体占用的内存进行分析：
整体对齐系数为min(对齐系数,max(成员占用内存大小))=min(4,8)=4
经过上面的分析test的成员共占用内存区间[0,20],大小为21个字节，然后进行整体对齐，需要满足整体为整体系数4的倍数，那么最近的大小就是24了，所以结构体test占用的内存空间为24字节。

五、数组,嵌套.

 

#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(i-jd):"<<(unsigned long)&arga.i -(unsigned long)&arga.jd<<endl;cout<<"Argsa(jd-test):"<<(unsigned long)&arga.jd-(unsigned long)&arga.test<<endl;return 0;}

输出结果:
Args:32
10
Argsa:56
Argsa(i-jd):12
Argsa(jd-test):32

#include "stdafx.h"#include "iostream"using namespace std;#pragma pack(8)struct tagOne{short s;char cArray[4];double d;};struct tagTwo{char c;tagOne tOne;//tOne的大小为16，在tagTwo中整体以8以齐,所以上面char c补7个字节,};int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){tagTwo temp;printf("%d\n",sizeof temp);return 0;}

上面这个例子的输出结果为24

当结构体中出现结构体类型的成员时，不会将嵌套的结构体类型的整体长度参与到对齐值计算中，而是以嵌套定义的结构体所使用对齐值进行对齐，

六、其它
1. 在编写代码时候可以通过#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16来灵活控制内存对齐的系数，当需要关闭内存对齐时，可以使用#pragma pack()实现。
2. 注意事项
内存对齐可以大大的提高编译器的处理速度，但不是任何时候都是必需的，有的时候不注意的话，还可能出现意想不到的错误！最典型的情况就是网络通信程序的编码中，一定要在定义结构体或者联合之前使用#pragma pack()把内存对齐关闭，这是因为远程主机通常不知道对方使用的何种对齐方式，通过socket接收的字节流，然后按照字节解析得到对应的结果，如果使用内存对齐，远程主机很哟可能会得到错误的结果！这种情况曾经指导上机时遇到过，而且属于比较隐蔽的错误，debug了好久才发现问题出在这里。
3. 优化结构体
虽然内存对齐可以提高运行效率，但是却浪费了内存，在现代PC上通常不会在乎这点小的空间，但是在一些内存很小的嵌入式设备上，可能就要锱铢必较了。其实我们发现在不影响功能的前提下，可以调整成员的顺序来减少“内存空洞”带来的浪费。如果三.中的结构体代码可以调整为
struct test
{
char a;
char c;
char e;
int b;
double d;
}
这个时候整个结构体占用的内存空间将会从上面的24减少到16。