C語言、C++內(nèi)存對齊問題詳解
這也可以？
#include <iostream>
using namespace std;
struct Test_A
{
char a;
char b;
int c;
};
struct Test_B
{
char a;
int c;
char b;
};
struct Test_C
{
int c;
char a;
char b;
};
int main()
{
struct Test_A a;
memset(&a, 0, sizeof(a));
struct Test_B b;
memset(&b, 0, sizeof(b));
struct Test_C c;
memset(&c, 0, sizeof(c));
// Print the memory size of the struct
cout<<sizeof(a)<<endl;
cout<<sizeof(b)<<endl;
cout<<sizeof(c)<<endl;
return 0;
}
好了，一段簡單的程序，上面的這段程序輸出是什么？如果你很懂，也就會知道我接下來要講什么了，可以略過了；如果，你不知道，或者還很模糊，請繼續(xù)閱讀。
這是為什么？
上面這段程序的輸出結(jié)果如下（windows 8.1 + visual studio 2012 update3下運行）:
// Print the memory size of the struct
cout<< sizeof(a)<<endl; // 8bytes
cout<< sizeof(b)<<endl; // 12bytes
cout<< sizeof(c)<<endl; // 8bytes
很奇怪么？定義的三個結(jié)構(gòu)體，只是換了一下結(jié)構(gòu)體中定義的成員的先后順序，怎么最終得到的結(jié)構(gòu)體所占用的內(nèi)存大小卻不一樣呢？很詭異么？好了，這就是我這里要總結(jié)的內(nèi)存對齊概念了。
內(nèi)存對齊
內(nèi)存對齊的問題主要存在于理解struct和union等復(fù)合結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的分布。許多實際的計算機(jī)系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)k（通常它為4或8）的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊。這個值k在不同的CPU平臺下，不同的編譯器下表現(xiàn)也有所不同，現(xiàn)在我們涉及的主流的編譯器是Microsoft的編譯器和GCC。
對于我們這種做上層應(yīng)用的程序員來說，真的是很少考慮內(nèi)存對齊這個問題的，內(nèi)存對齊對于上層程序員來說，是“透明的”。內(nèi)存對齊，可以說是編譯器做的工作，編譯器為程序中的每個數(shù)據(jù)塊安排在適當(dāng)?shù)膬?nèi)存位置上。很多時候，我們要寫出效率更高的代碼，此時我們就需要去了解這種內(nèi)存對齊的概念，以及編譯器在后面到底偷偷摸摸干了點什么。特別是對于C和C++程序員來說，理解和掌握內(nèi)存對齊更是重要的。
為什么要有內(nèi)存對齊呢？該占用多大的內(nèi)存，那就開辟對應(yīng)大小的內(nèi)存就好了，好比上面的結(jié)構(gòu)體，兩個char類型和一個int類型，大小應(yīng)該是6bytes才對啊，怎么又是8bytes，又是12bytes的啊？對于內(nèi)存對齊，主要是為了提高程序的性能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，特別是棧，應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對其的內(nèi)存，處理器需要做兩次內(nèi)存訪問；然而，對齊的內(nèi)存訪問僅僅需要一次內(nèi)存訪問。
在計算機(jī)中，字、雙字和四字在自然邊界上不需要在內(nèi)存中對齊（對字、雙字和四字來說，自然邊界分別是偶數(shù)地址，可以被4整除的地址和可以被8整除的地址）。如果一個字或雙字操作數(shù)跨越了4字節(jié)邊界，或者一個四字操作數(shù)跨越了8字節(jié)邊界，就被認(rèn)為是未對齊的，從而需要兩次總線周期來訪問內(nèi)存。一個字起始地址是奇數(shù)，但卻沒有跨越字邊界，就被認(rèn)為是對齊的，能夠在一個總線周期中被訪問。綜上所述，內(nèi)存對齊可以用一句話來概括——數(shù)據(jù)項只能存儲在地址是數(shù)據(jù)項大小的整數(shù)倍的內(nèi)存位置上。
我們再來看看一個簡答的例子：
#include <stdio.h>
struct Test
{
char a;
int b;
int c;
char d;
};
int main()
{
struct Test structTest;
printf("&a=%p\n", &structTest.a);
printf("&b=%p\n", &structTest.b);
printf("&c=%p\n", &structTest.c);
printf("&d=%p\n", &structTest.d);
printf("sizeof(Test)=%d\n", sizeof(structTest));
return 0;
}
輸出結(jié)果如下：
&a=00C7FA44
&b=00C7FA48
&c=00C7FA4C
&d=00C7FA50
sizeof(Test)=16
結(jié)構(gòu)體Test的成員變量b占用字節(jié)數(shù)為4bytes，所以只能存儲在4的整數(shù)倍的位置上，由于a只占用1一個字節(jié)，而a的地址00C7FA44和b的地址00C7FA48之間相差4bytes，這就說明，a其實也占用了4個字節(jié)，這樣才能保證b的起始地址是4的整數(shù)倍。這就是內(nèi)存對齊。如果沒有內(nèi)存對齊，我們再拿上面的代碼作為例子，則可能輸出結(jié)果如下：
&a=ffbff5e8
&b=ffbff5e9
&c=ffbff5ed
&d=ffbff5f1
sizeof(Test)=10
可以看到，a占用了一個字節(jié)，緊接著a之后就是b；之前也說了，內(nèi)存對齊是操作系統(tǒng)為了快速訪問內(nèi)存而采用的一種策略，簡單來說，就是為了防止變量的二次訪問。操作系統(tǒng)在訪問內(nèi)存時，每次讀取一定的長度（這個長度就是操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)，或者是默認(rèn)對齊系數(shù)的整數(shù)倍）。沒有了內(nèi)存對齊，當(dāng)我們讀取變量c時，第一次讀取0xffbff5e8~0xffbff5ef的內(nèi)存，第二次讀取0xffbff5f0~0xffbff5f8的內(nèi)存，由于變量c所占用的內(nèi)存跨越了兩片地址區(qū)域，為了正確得到變量c的值，就需要讀取兩次，將兩次內(nèi)存合并進(jìn)行整合，這樣就降低了內(nèi)存的訪問效率。
我在這里說了這么多，也挺繞口，這就是內(nèi)存對齊的規(guī)則。在C++中，每個特定平臺上的編譯器都有自己的內(nèi)存對齊規(guī)則，下面我們就內(nèi)存對齊的規(guī)則進(jìn)行總結(jié)。
內(nèi)存對齊規(guī)則
每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”。我們可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(k)，k=1,2,4,8,16來改變這個系數(shù)，其中k就是需要指定的“對齊系數(shù)”；也可以使用#pragma pack()取消自定義字節(jié)對齊方式。具體的對齊規(guī)則如下：
規(guī)則1：struct或者union的數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和自身占用字節(jié)數(shù)中，二者比較小的那個進(jìn)行對齊；比如；
#pragma pack(4) // 指定對齊系數(shù)為4，當(dāng)占用字節(jié)數(shù)大于等于4時，就按照4進(jìn)行對齊
struct Test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
x1占用字節(jié)數(shù)為1，1 < 4，按照對齊系數(shù)1進(jìn)行對齊，所以x1放置在offset為0的位置；
x2占用字節(jié)數(shù)為2，2 < 4，按照對齊系數(shù)2進(jìn)行對齊，所以x2放置在offset為2，3的位置；
x3占用字節(jié)數(shù)為4，4 = 4，按照對齊系數(shù)4進(jìn)行對齊，所以x3放置在offset為4，5，6，7的位置；
x4占用字節(jié)數(shù)為1，1 < 4，按照對齊系數(shù)1進(jìn)行對齊，所以x4放置在offset為8的位置；
現(xiàn)在已經(jīng)占了9bytes的內(nèi)存空間了，但是實際在visual studio 2012中實測為12bytes，為什么呢？看下一條規(guī)則。
規(guī)則2：struct或者union的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊以后，struct或者union本身也要進(jìn)行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和struct或者union中最大數(shù)據(jù)成員長度中比較小的那個進(jìn)行；
繼續(xù)使用規(guī)則1種的例子進(jìn)行解釋，按照規(guī)則1的理解，struct Test已經(jīng)占用了9bytes，實際為什么是12bytes呢？根據(jù)規(guī)則2，在所有成員對齊完成以后，struct或者union自身也要進(jìn)行對齊；我們設(shè)定的對齊系數(shù)為4，而struct Test中占用字節(jié)數(shù)最大的是float類型的x3，由于x3占用字節(jié)數(shù)小于或等于設(shè)定的對齊系數(shù)4，所以struct或者union整體需要按照4bytes進(jìn)行對齊，也就是說，struct或者union占用的字節(jié)數(shù)必須能夠被4整除，好了。struct Test已經(jīng)占用了9bytes了，10bytes不能被4整除，11bytes也不能，12bytes正好；所以，struct Test最終占用的字節(jié)數(shù)為12bytes。
上述兩條規(guī)則就是內(nèi)存對齊的基本規(guī)則，先局部對齊，后整體對齊。
實例分析
總結(jié)了那么多的規(guī)則，不來點實際的code，總覺的少點什么，好吧。以下就按照上述總結(jié)的內(nèi)存對齊規(guī)則，來進(jìn)行一些實際的代碼分析（注：測試環(huán)境Windows 8.1 + Visual Studio 2012 update 3）。
測試代碼如下，先確認(rèn)測試環(huán)境：
#include <iostream>
using namespace std;
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
int main()
{
cout<<"sizeof(char)"<<sizeof(char)<<endl; // 1byte
cout<<"sizeof(short)"<<sizeof(short)<<endl; // 2bytes
cout<<"sizeof(int)"<<sizeof(int)<<endl; // 4bytes
cout<<"sizeof(double)"<<sizeof(double)<<endl; // 8bytes
return 0;
}
我分別設(shè)置#pragma pack(k)，k=1,2,4,8,16進(jìn)行測試。
#pragma pack(1) // 設(shè)定對齊系數(shù)為1
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
首先使用規(guī)則1，對成員變量進(jìn)行對齊：
x1 <= 1，按照1進(jìn)行對齊，x1占用0；
x2 > 1，按照1進(jìn)行對齊，x2占用1，2，3，4，5，6，7，8；
x3 > 1，按照1進(jìn)行對齊，x3占用9，10；
x4 > 1，按照1進(jìn)行對齊，x4占用11，12，13，14；
x5 > 1，按照1進(jìn)行對齊，x5占用15；
最后使用規(guī)則2，對struct整體進(jìn)行對齊：
x2占用內(nèi)存最大，為8bytes，8bytes > 1byte，所以整體按照1進(jìn)行對齊；16%1=0。
所以，在#pragma pack(1) 的情況下，struct Test占用內(nèi)存為16bytes；內(nèi)存占用如下圖所示：
#pragma pack(2) // 設(shè)定對齊系數(shù)為2
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
首先使用規(guī)則1，對成員變量進(jìn)行對齊：
x1 <= 2，按照1進(jìn)行對齊，x1占用0；
x2 > 2，按照2進(jìn)行對齊，x2占用2，3，4，5，6，7，8，9；
x3 >= 2，按照2進(jìn)行對齊，x3占用10，11；
x4 > 2，按照2進(jìn)行對齊，x4占用12，13，14，15；
x5 < 2，按照1進(jìn)行對齊，x5占用16；
最后使用規(guī)則2，對struct整體進(jìn)行對齊：
x2占用內(nèi)存最大，為8bytes，8bytes > 2byte，所以整體按照2進(jìn)行對齊；17%2!=0
所以，在#pragma pack(2) 的情況下，struct Test占用內(nèi)存為18bytes；內(nèi)存占用如下圖所示：
#pragma pack(4) // 設(shè)定對齊系數(shù)為4
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
首先使用規(guī)則1，對成員變量進(jìn)行對齊：
x1 <= 4，按照1進(jìn)行對齊，x1占用0；
x2 > 4，按照4進(jìn)行對齊，x2占用4，5，6，7，8，9，10，11；
x3 < 4，按照2進(jìn)行對齊，x3占用12，13；
x4 >= 4，按照4進(jìn)行對齊，x4占用16，17，18，19；
x5 < 4，按照1進(jìn)行對齊，x5占用20；
最后使用規(guī)則2，對struct整體進(jìn)行對齊：
x2占用內(nèi)存最大，為8bytes，8bytes > 4byte，所以整體按照4進(jìn)行對齊；21%4!=0
所以，在#pragma pack(4) 的情況下，struct Test占用內(nèi)存為24bytes；內(nèi)存占用如下圖所示：
#pragma pack(8) // 設(shè)定對齊系數(shù)為8
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
首先使用規(guī)則1，對成員變量進(jìn)行對齊：
x1 <= 8，按照1進(jìn)行對齊，x1占用0；
x2 >= 8，按照8進(jìn)行對齊，x2占用8，9，10，11，12，13，14，15；
x3 < 8，按照2進(jìn)行對齊，x3占用16，17；
x4 <= 8，按照4進(jìn)行對齊，x4占用20，21，22，23；
x5 < 8，按照1進(jìn)行對齊，x5占用24；
最后使用規(guī)則2，對struct整體進(jìn)行對齊：
x2占用內(nèi)存最大，為8bytes，8bytes >= 8byte，所以整體按照8進(jìn)行對齊；25%8!=0
所以，在#pragma pack(8) 的情況下，struct Test占用內(nèi)存為32bytes；內(nèi)存占用如下圖所示：
#pragma pack(16) // 設(shè)定對齊系數(shù)為16
struct Test
{
char x1;
double x2;
short x3;
float x4;
char x5;
};
首先使用規(guī)則1，對成員變量進(jìn)行對齊：
x1 < 16，按照1進(jìn)行對齊，x1占用0；
x2 < 16，按照8進(jìn)行對齊，x2占用8，9，10，11，12，13，14，15；
x3 < 16，按照2進(jìn)行對齊，x3占用16，17；
x4 < 16，按照4進(jìn)行對齊，x4占用20，21，22，23；
x5 < 16，按照1進(jìn)行對齊，x5占用24；
最后使用規(guī)則2，對struct整體進(jìn)行對齊：
x2占用內(nèi)存最大，為8bytes，16bytes >= 8byte，所以整體按照8進(jìn)行對齊；25%8!=0
所以，在#pragma pack(16) 的情況下，struct Test占用內(nèi)存為32bytes；內(nèi)存占用如下圖所示：
總結(jié)
經(jīng)過上面的實例分析，我對內(nèi)存對齊有了全面的認(rèn)識和了解?，F(xiàn)在再回過來看看文章開頭的那段代碼，問題就迎刃而解了，同時經(jīng)過這段代碼，讓我們認(rèn)識到定義struct或者union時，也是有講解的。在以后的編碼生涯時，是不是又要多考慮一些呢？糾結(jié)~
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