一文轻松理解内存对齐(1)

简介: 一文轻松理解内存对齐

什么是内存对齐


元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的,但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始,每个元素放置到内存中时,它都会认为内存是按照自己的大小(通常它为4或8)来划分的,因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始,这就是所谓的内存对齐。


编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。C语言允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密,“内存对齐”对你就不应该再模糊了。


以一个例子开始了解


理论上,int占4byte,char占一个byte,那么将它们放到一个结构体中应该占4+1=5byte;但是实际上,通过运行程序得到的结果是8 byte,这就是内存对齐所导致的。

#include<stdio.h>
struct{
    int x;
    char y;
}Test;
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(Test)); // 输出8不是5
    return 0;
}

为什么要内存对齐


平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。


性能原因: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;而对齐的内存访问仅需要一次访问。


假如没有内存对齐机制,数据可以任意存放,现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中,该处理器去取数据时,要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节(0地址),然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据(5,6,7地址),最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。


现在有了内存对齐的,int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中,比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了,而且不需要做额外的操作,提高了效率。


内存对齐规则


基本类型的对齐值就是其sizeof值;


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;


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;


//2020.05.12 公众号:C语言与CPP编程
#include<stdio.h>
struct
{
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}Test1;
struct{
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}Test2;
struct{
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}Test3;
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(Test1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(Test2));  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 输出8
    return 0;
}

默认#pragma pack(4),且结构体中最长的数据类型为4个字节,所以有效对齐单位为4字节,下面根据上面所说的规则以第二个结构体来分析其内存布局: 首先使用规则1,对成员变量进行对齐:


sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位),按照1字节对齐,占用第0单元;


sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位),相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数,占用第4,5,6,7单元;


sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位),相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数,占用第8单元;


然后使用规则2,对结构体整体进行对齐:


第二个结构体中变量i占用内存最大占4字节,而有效对齐单位也为4字节,两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节,此处再按照规则2进行整体的4字节对齐,所以整个结构体占用12个字节。


根据上面的分析,不难得出上面例子三个结构体的内存布局如下:



例子三个结构体的内存布局


更改C编译器的缺省字节对齐方式:


在缺省情况下,C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地,可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件:


使用伪指令#pragma pack (n),C编译器将按照n个字节对齐。


使用伪指令#pragma pack (),取消自定义字节对齐方式。


另外,还有如下的一种方式:


__attribute((aligned (n))),让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。


attribute((packed)),取消结构在编译过程中的优化对齐,按照实际占用字节数进行对齐。


不同平台上编译器的 pragma pack 默认值不同。而我们可以通过预编译命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16来改变对齐系数。


例如,对于上个例子的三个结构体,如果前面加上#pragma pack(1),那么此时有效对齐值为1字节,此时根据对齐规则,不难看出成员是连续存放的,三个结构体的大小都是6字节。



有效对齐值为1字节


如果前面加上#pragma pack(2),有效对齐值为2字节,此时根据对齐规则,三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下:



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