C++学习线路_一文轻松理解内存对齐目的和原理

C++学习线路_一文轻松理解内存对齐目的和原理?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。

C++学习线路_一文轻松理解内存对齐目的和原理

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

1.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。

2.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:

attachments-2020-06-yVPZ4Upz5ef5789233faa.jpg点击放大查看

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。

attachments-2020-06-UcQmUs3B5ef578cdc0e83.jpg点击放大查看

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:

attachments-2020-06-aTfjLagY5ef578ec0050d.jpg

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有效对齐值为2字节

例子

请写出以下代码的输出结果:

#include<stdio.h>
struct S1
{
int i:8;
char j:4;
int a:4;
double b;
};

struct S2
{
int i:8;
char j:4;
double b;
int a:4;
};

struct S3
{
int i;
char j;
double b;
int a;
};

int main()
{
printf("%d\n",sizeof(S1)); // 输出8
printf("%d\n",sizeof(S1); // 输出12
printf("%d\n",sizeof(Test3)); // 输出8
return 0;
}

分析问题

在存储某些数据时,其实际需求的数据长度可能要小于一个字节,只占一位或几位。为了节省空间,处理方便,在C中引入了另一种结构,称为“位域”或“位段”。

所谓“位域”,就是把一个字节中的“位”按照实际的需求分成不同的区域,表明每个区域位数、区域的域名,并允许程序按照域名进行操作。如此就可以把不同的对象用一个字节来表示。

位域的定义与结构定义相仿,其形式为:

struct 位域的结构体名
{
//位域列表
}

位域列表的形式为:【类型说明符】 【位域名】:【位域的长度】例如:

struct ab
{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
}

对于位域的定义,有以下几点说明:

(1)一个位域必须存储在同一个字节中,不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

例如:

struct wy
{
unsigned a:6;
unsigned 0; //空域
unsigned b:4; //从一单元开始存放
unsigned c:4;
}

在这个位域定义中,a占第一字节的6位,后2位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。内存结构如下图所示。

attachments-2020-06-oYZDO5lE5ef5793baeab5.jpg

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存储结构图

(2)由于位域不允许跨两个字节,因此位域的长度不能大于一个字节的长度,也就是不能超过8位二进位。

(3)位域可以无位域名,这时它只用来填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。

例如:

struct wk
{
int a:1;
int :2; //不能使用
int b:3;
int c:2;
}

attachments-2020-06-zH8kCKxJ5ef5796927a72.jpg

点击放大查看 存储结构图

从以上述分析可以看出,位域可以看做是一种结构类型,其特点是成员均按二进位分配。

根据以上分析可知,在s1中i在相对0的位置,占8位即第1个字节。j就在相对第2个字节的位置。由于一个位置的字节数是4位的倍数,因此不用对齐,可以就放在那里。a要放在4位倍数关系的位置上,因此不用对齐,就放在那里。

目前总共是16位,2字节,由于double是8字节的,因此要在距相对0位置为8个字节的位置处放下。所以从16位开始到8个字节之间的位置被忽略,直接放在相对第8字节的位置,因此,s1总共占16字节。存储结构如下图所示。

attachments-2020-06-171bWzyi5ef579a5bfa3f.jpg

点击放大查看 S1存储结构

在s2中,每个数据都要对照结构体内最大数据的最小公倍数补齐。如i,j共12位,小于double的8个字节需按8字节补齐,a位也要按8字节补齐,共24个字节,存储结构如下图所示。

attachments-2020-06-Oa6MF2rP5ef579af43379.jpg

点击放大查看 s2的存储结构

在s3中,i是int型数据(按32位机分析)占4个字节,j是char型数据占一个字节,a是int型数据占4个字节,b是double型数据占8个字节。在此b是最大的数据类型,因此i、j、a都要向b的double型对齐,即i、j、a的数据长度要向b对齐为8个字节,四个数据共占据32个字节。s3的存储结构如下图所示。

attachments-2020-06-JwWHj5695ef579b9be51e.jpg

点击放大查看 s3的存储结构

答案

sizeof(S1)=16

sizeof(S2)=24

sizeof(S3)=32

说明:结构体作为一种复合数据类型,其构成元素既可以是基本数据类型的变量,也可以是一些复合型类型数据。对此,编译器会自动进行成员变量的对齐以提高运算效率。默认情况下,按自然对齐条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储,第一个成员的地址和整个结构的地址相同,向结构体成员中size最大的成员对齐。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制,它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数,而这个k则被称为该数据类型的对齐模数。

  • 发表于 2020-06-26 12:04
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