C語言怎么實現(xiàn)內(nèi)存對齊

這篇文章主要講解了“C語言怎么實現(xiàn)內(nèi)存對齊”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“C語言怎么實現(xiàn)內(nèi)存對齊”吧！

　　一、概念 
　　 
　　 對齊跟數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置有關。如果一個變量的內(nèi)存地址正好位于它長度的整數(shù)倍，他就被稱做自然對齊。比如在32位cpu下，假設一個整型變量的地址為0x00000004，那它就是自然對齊的。
　　 
　　二、為什么要字節(jié)對齊
　　 
　　 需要字節(jié)對齊的根本原因在于CPU訪問數(shù)據(jù)的效率問題。假設上面整型變量的地址不是自然對齊，比如為0x00000002，則CPU如果取它的值的話需要訪問兩次內(nèi)存，第一次取從0x00000002-0x00000003的一個short，第二次取從0x00000004-0x00000005的一個short然后組合得到所要的數(shù)據(jù)，如果變量在0x00000003地址上的話則要訪問三次內(nèi)存，第一次為char，第二次為short，第三次為char，然后組合得到整型數(shù)據(jù)。而如果變量在自然對齊位置上，則只要一次就可以取出數(shù)據(jù)。一些系統(tǒng)對對齊要求非常嚴格，比如sparc系統(tǒng)，如果取未對齊的數(shù)據(jù)會發(fā)生錯誤，舉個例：
　　　 

　　char ch[8];
　　char *p = &ch[1];
　　int i = *(int *)p;
　

       運行時會報segment error，而在x86上就不會出現(xiàn)錯誤，只是效率下降。
　　

三、正確處理字節(jié)對齊
　　
　　 對于標準數(shù)據(jù)類型，它的地址只要是它的長度的整數(shù)倍就行了，而非標準數(shù)據(jù)類型按下面的原則對齊：
　　
　　數(shù)組 ：按照基本數(shù)據(jù)類型對齊，第一個對齊了后面的自然也就對齊了。 
　　聯(lián)合 ：按其包含的長度最大的數(shù)據(jù)類型對齊。 
　　結構體： 結構體中每個數(shù)據(jù)類型都要對齊。
　　比如有如下一個結構體：

　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　}; 20
　　struct stu my_stu;

 　由于在x86下，GCC默認按4字節(jié)對齊，它會在sex后面跟name后面分別填充三個和兩個字節(jié)使length和整個結構體對齊。于是我們sizeof(my_stu)會得到長度為20，而不是15.
　　
四、__attribute__選項
　　
　　我們可以按照自己設定的對齊大小來編譯程序，GNU使用__attribute__選項來設置，比如我們想讓剛才的結構按一字節(jié)對齊，我們可以這樣定義結構體
　　

　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　}__attribute__ ((aligned (1))); 
　　struct stu my_stu;

   則sizeof(my_stu)可以得到大小為15。
　　
　　上面的定義等同于

　　struct stu{
　　 char sex;
　　 int length;
　　 char name[10];
　　}__attribute__ ((packed)); 
　　struct stu my_stu;

　　__attribute__((packed))得變量或者結構體成員使用最小的對齊方式，即對變量是一字節(jié)對齊，對域（field）是位對齊.
　　
　　五、什么時候需要設置對齊
　　
　　 在設計不同CPU下的通信協(xié)議時，或者編寫硬件驅動程序時寄存器的結構這兩個地方都需要按一字節(jié)對齊。即使看起來本來就自然對齊的也要使其對齊，以免不同的編譯器生成的代碼不一樣.

一、快速理解

1. 什么是字節(jié)對齊？

在C語言中，結構是一種復合數(shù)據(jù)類型，其構成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復合數(shù)據(jù)類型（如數(shù)組、結構、聯(lián)合等）的數(shù)據(jù)單元。在結構中，編譯器為結構的每個成員按其自然邊界（alignment）分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

為了使CPU能夠對變量進行快速的訪問,變量的起始地址應該具有某些特性,即所謂的”對齊”. 比如4字節(jié)的int型,其起始地址應該位于4字節(jié)的邊界上,即起始地址能夠被4整除.

2. 字節(jié)對齊有什么作用？

字節(jié)對齊的作用不僅是便于cpu快速訪問，同時合理的利用字節(jié)對齊可以有效地節(jié)省存儲空間。

對于32位機來說，4字節(jié)對齊能夠使cpu訪問速度提高，比如說一個long類型的變量，如果跨越了4字節(jié)邊界存儲，那么cpu要讀取兩次，這樣效率就低了。但是在32位機中使用1字節(jié)或者2字節(jié)對齊，反而會使變量訪問速度降低。所以這要考慮處理器類型，另外還得考慮編譯器的類型。在vc中默認是4字節(jié)對齊的，GNU gcc 也是默認4字節(jié)對齊。

3. 更改C編譯器的缺省字節(jié)對齊方式

在缺省情況下，C編譯器為每一個變量或是數(shù)據(jù)單元按其自然對界條件分配空間。一般地，可以通過下面的方法來改變?nèi)笔〉膶鐥l件：
· 使用偽指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個字節(jié)對齊。
· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對齊方式。

另外，還有如下的一種方式：
· __attribute((aligned (n)))，讓所作用的結構成員對齊在n字節(jié)自然邊界上。如果結構中有成員的長度大于n，則按照最大成員的長度來對齊。
· __attribute__ ((packed))，取消結構在編譯過程中的優(yōu)化對齊，按照實際占用字節(jié)數(shù)進行對齊。

4. 舉例說明

例1

struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};

由于編譯器默認情況下會對這個struct作自然邊界（有人說“自然對界”我覺得邊界更順口）對齊，結構的第一個成員x1，其偏移地址為0，占據(jù)了第1個字節(jié)。第二個成員x2為short類型，其起始地址必須2字節(jié)對界，因此，編譯器在x2和x1之間填充了一個空字節(jié)。結構的第三個成員x3和第四個成員x4恰好落在其自然邊界地址上，在它們前面不需要額外的填充字節(jié)。在test結構中，成員x3要求4字節(jié)對界，是該結構所有成員中要求的最大邊界單元，因而test結構的自然對界條件為4字節(jié)，編譯器在成員x4后面填充了3個空字節(jié)。整個結構所占據(jù)空間為12字節(jié)。

例2

#pragma pack(1) //讓編譯器對這個結構作1字節(jié)對齊

struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
#pragma pack() //取消1字節(jié)對齊，恢復為默認4字節(jié)對齊

這時候sizeof(struct test)的值為8。

例3

#define GNUC_PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}GNUC_PACKED;

這時候sizeof(struct test)的值仍為8。

二、深入理解

什么是字節(jié)對齊,為什么要對齊?
TragicJun 發(fā)表于 2006-9-18 9:41:00 現(xiàn)代計算機中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變量的時候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
      對齊的作用和原因：各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取。比如有些架構的CPU在訪問一個沒有進行對齊的變量的時候會發(fā)生錯誤,那么在這種架構下編程必須保證字節(jié)對齊.其他平臺可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對數(shù)據(jù)存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開始的地方，那么一個讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要2個讀周期，并對兩次讀出的結果的高低字節(jié)進行拼湊才能得到該32bit數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。
二.字節(jié)對齊對程序的影響:

        先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器):
設結構體如下定義：

struct A
{
        int a;
        char b;
        short c;
};
struct B
{
        char b;
        int a;
        short c;
};

現(xiàn)在已知32位機器上各種數(shù)據(jù)類型的長度如下:
char:1(有符號無符號同)   
short:2(有符號無符號同)   
int:4(有符號無符號同)   
long:4(有符號無符號同)   
float:4        double:8
那么上面兩個結構大小如何呢?
結果是:
sizeof(strcut A)值為8
sizeof(struct B)的值卻是12

結構體A中包含了4字節(jié)長度的int一個，1字節(jié)長度的char一個和2字節(jié)長度的short型數(shù)據(jù)一個,B也一樣;按理說A,B大小應該都是7字節(jié)。
之所以出現(xiàn)上面的結果是因為編譯器要對數(shù)據(jù)成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的默認設置進行對齊的結果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認對齊設置呢,當然可以.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/

struct C
{
        char b;
        int a;
        short c;
};

#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值為1：
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對齊*/

struct D
{
        char b;
        int a;
        short c;
};

#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值為7。
后面我們再講解#pragma pack()的作用.

三.編譯器是按照什么樣的原則進行對齊的?

        先讓我們看四個重要的基本概念：

1.數(shù)據(jù)類型自身的對齊值：
 對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，單位字節(jié)。
2.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。
3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
4.數(shù)據(jù)成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。

?。。izeof()的時候 不考慮static 類型變量   sizeof只計算在棧上的內(nèi)存   不計算 在靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲區(qū)的
有了這些值，我們就可以很方便的來討論具體數(shù)據(jù)結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0".而數(shù)據(jù)結構中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數(shù)倍，結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；

struct B
{
        char b;
        int a;
        short c;
};

假設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定對齊值4小，所以其有效對齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值為4，所以有效對齊值也為4，所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中，復核0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結構B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據(jù)結構體圓整的要求，0x0009到0x0000=10字節(jié)，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結構體B所占用。故B從0x0000到0x000B共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足字節(jié)對齊了,因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補充2個字節(jié),是因為編譯器為了實現(xiàn)結構數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了一個結構B的數(shù)組,那么第一個結構起始地址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數(shù)倍,那么下一個結構的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結構的地址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數(shù)倍.其實諸如:對于char型數(shù)據(jù)，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int,float,double類型，其自身對齊值為4，這些已有類型的自身對齊值也是基于數(shù)組考慮的,只是因為這些類型的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/

struct C
{
        char b;
        int a;
        short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/

第一個變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，所以，其有效對齊值為1，假設C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二個變量，自身對齊值為4，指定對齊值為2，所以有效對齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值為2，所以有效對齊值為2，順序存放
在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4，所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的默認對齊值?

1.在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，默認是8字節(jié)。
2.在編碼時，可以這樣動態(tài)修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對字節(jié)對齊,我們在編程中如何考慮?
        如果在編程的時候要考慮節(jié)約空間的話,那么我們只需要假定結構的首地址是0,然后各個變量按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結構中的變量按照類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補空間.還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做法是顯式的插入reserved成員：

             struct A{
               char a;
               char reserved[3];//使用空間換時間
               int b;
            }

reserved成員對我們的程序沒有什么意義,它只是起到填補空間以達到字節(jié)對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.

六.字節(jié)對齊可能帶來的隱患:        代碼中關于對齊的隱患，很多是隱式的。比如在強制類型轉換的時候。例如：

unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;

最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規(guī)定。
在x86上，類似的操作只會影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,因為它們要求必須字節(jié)對齊.

七.如何查找與字節(jié)對齊方面的問題:

如果出現(xiàn)對齊或者賦值問題首先查看
1. 編譯器的big little端設置
2. 看這種體系本身是否支持非對齊訪問
3. 如果支持看設置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標志其特殊訪問操作

舉例：

#include <stdio.h>  
main()  
{  
struct A {  
    int a;  
    char b;  
    short c;  
};  
  
struct B {  
    char b;  
    int a;  
    short c;  
};  
  
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/  
struct C {  
    char b;  
    int a;  
    short c;  
};  
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/  
  
  
  
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對齊*/  
struct D {  
    char b;  
    int a;  
    short c;  
};  
#pragma pack ()/*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/  
  
int s1=sizeof(struct A);  
int s2=sizeof(struct B);  
int s3=sizeof(struct C);  
int s4=sizeof(struct D);  
printf("%d\n",s1);  
printf("%d\n",s2);  
printf("%d\n",s3);  
printf("%d\n",s4);  
}

輸出：

struct A {
   // int a;
    char b;
    short c;
};

struct B {
    char b;
   // int a;
    short c;
};

8

12

8

7

修改代碼：輸出：

4

4

輸出都是4，說明之前的int影響對齊！

看圖就明白了

感謝各位的閱讀，以上就是“C語言怎么實現(xiàn)內(nèi)存對齊”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學習后，相信大家對C語言怎么實現(xiàn)內(nèi)存對齊這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！