C語言位元組對齊問題詳解

標籤：位元組對齊   c語言   記憶體   指標   alignment   

一、何謂位元組對齊？
      現代電腦中記憶體空間都是按照位元組（byte）劃分的，從理論上講，似乎對任何類型變數的訪問都可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定變數的時候，經常在特定的記憶體位址訪問，而不是順序的一個接一個的排放。為了使CPU能夠對變數進行快速存取，變數的起始地址應該具有某些特性，即所謂的“位元組對齊”。比如4位元組的int型,其起始地址應該位於4位元組的邊界上,即起始地址能夠被4整除。
     在C語言中，結構體是一種複合資料型別，其構成元素既可以是基礎資料型別 (Elementary Data Type)（如int、long、float等）的變數，也可以是一些複合資料型別（如數組、結構體、聯合等）的資料單元。在結構體中，編譯器為結構體的每個成員按其常態範圍（alignment）分配空間，各個成員按照它們被聲明的順序在記憶體中順序儲存，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。
 
二、位元組對齊的作用和原因
      各個硬體平台對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平台（例如sparc系統對位元組對齊非常嚴格）對某些特定類型的資料只能從某些特定地址開始存取。其他平台可能沒有這種情況， 但是如果不按照適合其平台的要求對資料存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平台（例如x86）每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀周期就可以讀出；而如果存放在奇地址開始的地方，就需要2個讀周期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該int型資料。後者顯然在讀取效率上會下降很多，但儲存空間上可能比前者更緊湊，這也是空間和時間的取捨。

三、位元組對齊原則
   編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的？在我們繼續分析具體位元組對齊問題之前，先讓我們看幾個重要的基本概念：
   1.資料類型自身的對齊值：在32位x86機器上，對於char型資料，其自身對齊值為1位元組；對於short型，其自身對齊為2位元組；對於 int,long, float類型，其自身對齊值為4位元組；
      對於long long，double類型為8位元組；對於基本類型的指標類型（其本質是 unsigned long型），其自身對齊為4位元組。
   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.編譯器預設對齊值：一般與CPU字長位元相同，在32位機器上為4位元組，64位機器上為8位元組。未指定對齊值時，編譯器使用預設對齊值。
   5.資料成員、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。
 
有了這些值，我們就可以很方便的來討論具體資料結構的成員和其自身的對齊。有效對齊值N是最終用來決定資料存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就 是表示“對齊在N上”，也就是說該資料的"存放起始地址%N=0".而資料結構中的資料變數都是按定義的先後順序來排放的。第一個資料變數的起始地址就是 資料結構的起始地址。結構體的成員變數要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變數佔用總長度需要是對結構體有效對齊值的整 數倍。
       
 
四、位元組對齊舉例分析
      根據位元組對齊原則，結合下面例子理解，就明白了。
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，在筆者環境下，該值預設為4。第一個成員變數b的自身對齊值是1，比指定或者預設指 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.第二個成員變數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這四個連續的位元組空間中，複核0x0004%4=0,且緊靠第一個變數。第三個變數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這兩個位元組空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存 放的都是B內容。再看資料結構B的自身對齊值為其變數中最大對齊值(這裡是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10位元組，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B 共有12個位元組,sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/
第一個變數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，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變數，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 位元組中，符合0x0002%2=0。第三個變數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共八位元組存放的是C的變數。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只佔用0x0000到0x0007的八個位元組。所以sizeof(struct C)=8.  
  
 
五、總結
        有 了以上的解釋，相信你對C語言的位元組對齊概念應該有了清楚的認識了吧。在網路程式中，掌握這個概念可是很重要的喔，在不同平台之間（比如在Windows 和Linux之間）傳遞2進位流（比如結構體），那麼在這兩個平台間必須要定義相同的對齊，還要注意位元組大端和小端的問題，否則會莫名其妙地出現一些詭異的錯誤，可是很難排查的哦^_^。

 

六、附原始碼

 

[cpp] view plaincopyprint?

1. /****************************************************************************** 
2. Copyright by Javacode007, All rights reserved! 
3. Filename    : structsize.c 
4. Author      : Javacode007 
5. Date        : 2012-8-5 
6. Version     : 1.0 
7. Description : 結構體類型大小測試 
8. ******************************************************************************/  
9. #include <stdio.h>  
10.   
11. struct A  
12. {  
13.     char c;  
14.     short s;  
15.     int i;  
16. };  
17.   
18.   
19. #pragma pack(1) /*指定按1位元組對齊*/  
20. struct PA  
21. {  
22.     char c;  
23.     short s;  
24.     int i;  
25. };  
26. #pragma pack()  /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/  
27.   
28.   
29. struct B  
30. {  
31.     char c;  
32.     int i;  
33.     short s;      
34. };  
35.   
36. #pragma pack(2) /*指定按2位元組對齊*/  
37. struct PB  
38. {  
39.     char c;  
40.     int i;  
41.     short s;      
42. };  
43. #pragma pack()  /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/  
44.   
45.   
46.   
47. int main()  
48. {  
49.     struct A stA;  
50.     struct PA stPA;  
51.     struct B stB;  
52.     struct PB stPB;  
53.   
54.   
55.     printf("sizeof(A)  = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stA), &stA.c, &stA.s, &stA.i);  
56.     printf("sizeof(PA) = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stPA), &stPA.c, &stPA.s, &stPA.i);  
57.     printf("sizeof(B)  = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stB), &stB.c, &stB.s, &stB.i);  
58.     printf("sizeof(PB) = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stPB), &stPB.c, &stPB.s, &stPB.i);  
59.       
60.   
61.     return 0;  
62.       
63. }  

/******************************************************************************Copyright by Javacode007, All rights reserved!Filename    : structsize.cAuthor      : Javacode007Date        : 2012-8-5Version     : 1.0Description : 結構體類型大小測試******************************************************************************/#include <stdio.h>struct A{    char c;    short s;    int i;};#pragma pack(1) /*指定按1位元組對齊*/struct PA{    char c;    short s;    int i;};#pragma pack()  /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/struct B{    char c;    int i;    short s;    };#pragma pack(2) /*指定按2位元組對齊*/struct PB{    char c;    int i;    short s;    };#pragma pack()  /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/int main(){    struct A stA;    struct PA stPA;    struct B stB;    struct PB stPB;    printf("sizeof(A)  = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stA), &stA.c, &stA.s, &stA.i);    printf("sizeof(PA) = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stPA), &stPA.c, &stPA.s, &stPA.i);    printf("sizeof(B)  = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stB), &stB.c, &stB.s, &stB.i);    printf("sizeof(PB) = %d, &c = %p, &s = %p, &i = %p\r\n", sizeof(stPB), &stPB.c, &stPB.s, &stPB.i);        return 0;    }

輸出結果：

     

C語言位元組對齊問題詳解