C++中的位元組對齊分析

文章目錄

• 　　閱讀指引：    　
•  範例程式碼
• 為什麼要位元組對齊
• 編譯器對位元組對齊的一些規則
• 結合編譯器原則分析樣本
• 總結
• 　　1.範例程式碼 　　
• 　　2.為什麼要位元組對齊 　
• 　　3.編譯器對位元組對齊的一些規則    
•           4. 結合編譯器分析樣本
• 　　總結

　　閱讀指引：    　

1.  範例程式碼
2. 為什麼要位元組對齊
3. 編譯器對位元組對齊的一些規則
4. 結合編譯器原則分析樣本
5. 總結

　　1.範例程式碼 　　

　　先看一下這段程式的運行結果。

範例程式碼

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

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

#pragma pack(2)
struct C
{
    char a;
    int b;
    short c;
};

#pragma pack(1)
struct D
{
    int a;
    char b;
    short c;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{

    cout << sizeof(A) << "   "<< sizeof B << "   "<< sizeof C << "   "<< sizeof D <<endl;
    return 0;
}　　運行結果如下：8     12     8       7

　　理論上來說，結構體A與B的大小應該都是一樣的，造成這種原因的就是位元組對齊引起來的。  

　　2.為什麼要位元組對齊 　　　為什麼呢？簡單點說：為了提高存取效率。位元組是記憶體空間分配的最小單位, 在程式中，我們定義的變數可以放在任何位置。其實不同架構 的CPU在訪問特定類型變數時是有規律的,比如有的CPU訪問int型變數時，會從偶數地址開始讀取的,int類型佔用4個位元組（windows平台）。 0X0000，0X0004，0X0008.....這樣只需要讀一次就可以讀出Int類型變數的值。相反地，則需要讀取二次，再把高低位元組相拼才能得到 int類型的值，這樣子看的話，存取效率當然提高了。　　通常寫程式的時候，不需要考慮這些情況，編譯都會為我們考慮這些情況，除非針對那些特別架構的 CPU編程的時候的則需要考慮 。當然使用者也可以手工控制對齊。　　3.編譯器對位元組對齊的一些規則    

　　我從下面三條說明了編譯器對位元組處理的一些原則。當然除了一些特殊的編譯器在處理位元組對齊的方式也不一樣， 這些情況我未碰到過，就不作說明了。

　　a. 關於資料類型自身的對齊值，不同類型會按不同的位元組來對齊。

類型	對齊值(位元組)
char	1
short	2
int	4
float	4
double	4

      b. 類、結構體的自身對齊位元組值。對於結構體類型與類對象的對齊原則：使用成員當中最大的對齊位元組來對齊。比如在Struct A中，int a的對齊位元組為4，比char,short都大，所以A的對齊位元組為4     c. 指定對齊位元組值。意思是指使用了宏 #pragma pack(n)來指定的對齊值

     d. 類、結構及成員的有效對齊位元組值。有效對齊值=min(類/結構體/成員的自身對齊位元組值，指定對齊位元組值)。 　　有效對齊值決定了資料的存放方 式，sizeof 運算子就是根據有效對齊值來導出成員大小的。簡單來說， 有效對齊其實就是要求資料成員存放的地址值能被有效對齊值整除，即：地址值%有效對齊值=0

    

          4. 結合編譯器分析樣本

          根據上面的原則，分析Struct A的size。結構體的成員記憶體配置是按照定義的順序來分析的。struct A
{    
   int a;    
   char b;    
   short c;
}       為了簡單起見， 我假設Struct A存取的起始地址為 0x0000 在沒有指定對齊值的情況下，分析步驟： 　   step 1: 根據第二條，首先為結構體選擇對齊值：選擇成員中最大的對齊值，即int a，對齊值為4
 　  　　
   step 2: 再根據第四條原則，決定有效對齊值：即然沒有手工指定對齊值，則使用預設的值：4(windows 32平台)　　　

    step 3: int a 的有效地址值=min(4,4),(因為0x0000%4=0)，這樣a的地址就是從 0X0000~0x0003　　　　

    step 4: char b 的有效對齊值=min(1,4)，地址依次從0x0004 (因為Ox0004%1=0)開始，分配一個位元組，位址區段分配情況就是：0x0000~0x0004　　　　

    step 5: short c 的有效對齊值=min(2,4)，理論上說，分配的地址應該是連續的（從0x0005~0x00006），但是由於要求考慮到對齊的情況，所求要求位址區段 位移，這樣就從0x0006(Offset+1，因為0x0006%2=0)開始，分配2個位元組的地址0x0006~0x0007.

     
   目前為止，位址區段的分配情況就是：0x0000~0x0007這樣sizeof(A)的大小=0x0000~0x0007共8個位元組大小，同時，8%4=0保證了Struct A的位址區段與4成偶數倍。

     接下來分析Struct B的大小，同樣假設Struct B的起始地址為0x0000，分析步驟如下：

struct B
{
    char a;
    int b;
    short c;
}   step 1: 確實結構體B對齊值：選擇成員中最大的對齊值，即int a，對齊值為4
 　  　　
   step 2: 確定手工指定對齊值，使用預設的值：4(windows 32, VC6.0平台)　　　

   step 3: char a 的有效地址值=min(1,4),a的地址就是 0X0000(因為0x0000%1=0)　　　

   step 4: int b 的有效對齊值=min(4,4)，地址依次從0x0004~0x0007 (因為Ox0004%1=0)開始，分配4個位元組，目前j位址區段分配情況就是：0x0000~0x0007　　　　

    step 5: short c 的有效對齊值=min(2,4)，c從0x0008~0x0009(因為0x0008%2=0)開始，位移2個位元組的地址0x0006~0x0007.
    
    至止，位址區段的分配情況就是：0x0000~0x0009共10個位元組，但是Struct B的對齊值為4,這就要求地址地段再位移2個位元組,這樣就是從0x0000~0x000B共12(因為12%4=0)個位元組大小。這樣，sizeof(B)=12

     
   

　　再來使用Pragma手工更改了位元組對齊值的情況，先看看Struct C的定義：

#pragma pack(2)
struct C
{
    char a;
    int b;
    short c;
};

　　 在代碼中，手工指定了對齊值為2個位元組，分析步驟如下：

   step 1: 確定結構體C對齊值：選擇成員中最大的對齊值，即int a，對齊值為4
 　  　　
   step 2: 確定手工指定對齊值，使用手工指定的值：2

   step 3: char a 的有效地址值=min(1,2),(因為0x0000%2=0)，這樣a的地址就是0x0000　

   step 4: int b 的有效對齊值=min(4,2)，地址依次從0x0002~0x0005 (因為Ox0002%2=0)開始，分配4個位元組，目前位址區段分配情況就是：0x0000~0x0005　　　　

    step 5: short c 的有效對齊值=min(2,2)，由於要求考慮到對齊的情況,從0x0006(因為0x0006%2=0)開始，分配2個位元組的地址0x0006~0x0007

     
   目前為止，位址區段的分配情況就是：0x0000~0x0007共8個位元組，同時也保證了Struct C的對齊情況（2位元組對齊,pragma(2)），sizeof(C)=8

　　請注意這種情況與Struct B的情況有區別，B的sizeof大小為12個位元組，C的sizeof大小為8個位元組。

　　　最後分析#pragma pack(1)這種情況，這種情況非常簡單，對齊值為1，因為1可以被任何資料整除，所以Struct D的成員變數存取順序是連續的，這樣就好辦了，sizeof(D)=sizeof(int)+sizeof(char)+sizeof(short)=4+1+2=7 (比如從0x0000~0x0006)

　　總結

　　在考慮位元組對齊時要細心，搞清楚幾個重要的概念，如類型自身對齊值，手工對齊值以及有效對齊值，有效對齊值決定了最後的存取方式，有效對齊值等於類型自身對齊值與手工對齊值中較小的一個。理解了這一點，對sizeof運算子對類型或都結構的運算也徹底明白了。