《c專家編程》筆記–linux記憶體對齊

在最近的項目中，我們涉及到了“記憶體對齊”技術。對於大部分程式員來說，“記憶體對齊”對他們來說都應該是“透明的”。“記憶體對齊”應該是編譯器的 “管轄範圍”。編譯器為程式中的每個“資料單元”安排在適當的位置上。但是C語言的一個特點就是太靈活，太強大，它允許你幹預“記憶體對齊”。如果你想瞭解 更加底層的秘密，“記憶體對齊”對你就不應該再透明了。

一、記憶體對齊的原因

大部分的參考資料都是如是說的：

1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬體平台都能訪問任意地址上的任意資料 的；某些硬體平台只能在某些地址處取某些特定類型的資料，否則拋出硬體異常。

2、效能原因：資料結構(尤其是棧)應該儘可能地在常態範圍上對齊。 原因在於，為了訪問未對齊的記憶體，處理器需要作兩次記憶體訪問；而對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。

二、對齊規則

每個特定平台上的編譯器都有自己的預設“對齊係數”(也叫對齊模數)。程式員可以通過先行編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一係數，其中的n就是你要指定的“對齊係數”。

規則：

1、資料成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後 每個資料成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員自身長度中，比較小的那個進行。

2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在 資料成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大資料成員長度中，比較小的那個進行。

3、結合1、2顆推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。

三、實驗

我們通過一系列例子的詳細說明來證明這個規則吧!

我實驗用的編譯器是GCC 4.4.6

我們將用典型的struct對齊來說明。首先我們定義一個struct：

#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */

struct test_t {

 int a;

 char b;

 short c;

 char d;

};

#pragma pack(n)

首先我們首先確認在實驗平台上的各個類型的size，經驗證兩個編譯器的輸出均為：

sizeof(char) = 1

sizeof(short) = 2

sizeof(int) = 4

我們的實驗過程如下：通過#pragma pack(n)改變“對齊係數”，然後察看sizeof(struct test_t)的值。

1、1位元組對齊(#pragma pack(1))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 8

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(1)

struct test_t {

 int a;  /* 長度4 < 1 按1對齊；起始offset=0；存放位置區間[0,3] */

 char b;  /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=4；存放位置區間[4] */

 short c; /* 長度2 > 1 按1對齊；起始offset=5；存放位置區間[5,6] */

 char d;  /* 長度1 = 1 按1對齊；起始offset=7；存放位置區間[7] */

};

#pragma pack()

成員總大小=8

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 1) = 1

2、2位元組對齊(#pragma pack(2))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 10

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(2)

struct test_t {

 int a;  /* 長度4 > 2 按2對齊；起始offset=0；存放位置區間[0,3] */

 char b;  /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=4；存放位置區間[4] */

 short c; /* 長度2 = 2 按2對齊；起始offset=6；存放位置區間[6,7] */

 char d;  /* 長度1 < 2 按1對齊；起始offset=8；存放位置區間[8] */

};

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 2) = 2

3、4位元組對齊(#pragma pack(4))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(4)

struct test_t {

 int a;  /* 長度4 = 4 按4對齊；起始offset=0；存放位置區間[0,3] */

 char b;  /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=4；存放位置區間[4] */

 short c; /* 長度2 < 4 按2對齊；起始offset=6；存放位置區間[6,7] */

 char d;  /* 長度1 < 4 按1對齊；起始offset=8；存放位置區間[8],最後還要補上3個空位，以滿足總長度是4(int是4個位元組，4=4)的整數倍*/

};

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 4) = 4

4、8位元組對齊(#pragma pack(8))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(8)

struct test_t {

 int a;  /* 長度4 < 8 按4對齊；起始offset=0；存放位置區間[0,3] */

 char b;  /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=4；存放位置區間[4] */

 short c; /* 長度2 < 8 按2對齊；起始offset=6；存放位置區間[6,7] */

 char d;  /* 長度1 < 8 按1對齊；起始offset=8；存放位置區間[8] 最後還要補上3個空位，以滿足總長度是4(int是4個位元組，4<8)的整數倍*/

};

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 8) = 4

5、16位元組對齊(#pragma pack(16))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(16)

struct test_t {

 int a;  /* 長度4 < 16 按4對齊；起始offset=0；存放位置區間[0,3] */

 char b;  /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=4；存放位置區間[4] */

 short c; /* 長度2 < 16 按2對齊；起始offset=6；存放位置區間[6,7] */

 char d;  /* 長度1 < 16 按1對齊；起始offset=；存放位置區間[8] 最後還要補上3個空位，以滿足總長度是4(int是4個位元組，4<8)的整數倍 */

};

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 16) = 4

寫在最後：

如果結構體中有數組，對齊時不會將數組作為一個整體來對齊，而是將數組中個每個元素一個一個來進行對齊。