記憶體位元組對齊詳解（轉帖）

多位元組對一些範圍內的字元用一個位元組表示，另一些用二個位元組，有的用三個或四個位元組，等等。

寬位元組方案統一用固定數目的位元組來表示字元。

C語言C99標準提供了寬字元類型wchar_t和其它關聯庫曆程。

結構體佔用記憶體長度的計算：

1。系統預設以4個位元組對齊，若沒有預設以第一個成員的長度為準；

2。成員變數的長度如果不足改長度，仍以該長度計算；

3。成員變數依次存放，若前面分配的空間有剩餘而且繼續存入該成員後沒有超過標準長度，則繼續存放，否則，再分配一個標準長度存放成員變數。

一、什麼是位元組對齊，為什麼對齊 現代電腦中記憶體空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變數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數的時候經常在特定的記憶體位址訪問，這就需要各種類型資料按照一定的規則在空間上排列，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：各個硬體平台對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的資料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數的時候會發生錯誤，那麼在這種架構下編程必須保證位元組對齊，其他平台可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平台要求對數 據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平台每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統）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這32bit，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32bit資料， 顯然在讀取效率上下降很多。 二、位元組對齊對程式的影響 先看下面的例子（32bit，X86環境，VC編譯器） 設結構體定義如下： struct A { int a; char b; short c; }; struct B { char b; int a; short c; }; 那麼上面兩個結構大小如何呢？結果是： sizeof(struct A)的值為8 sizeof(struct B)的值卻是12 結構體A中包含4位元組長度的int一個，1位元組長度的char一個和2位元組長度的short型資料一個，B也一樣；按理說A，B大小應該都是7位元組。 之所以出現上面的結果是因為編譯器要對資料成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的預設設定進行對齊的結果，那麼我們是不是可以改變編譯器的這種預設對齊設定呢？當然可以，例如： #pragma pack(2) /*指定按2位元組對齊*/ #pragma pack(1) /*指定按1位元組對齊*/ #pragma pack()　 /*取消指定對齊，恢複預設對齊*/ 那麼按2位元組對齊時Ａ和Ｂ的值都為8，按1位元組對齊時Ａ和Ｂ的值都為7。 三、編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的？ 先讓我們看四個重要的概念： 1．資料類型自身的對齊值：對於char型的資料，其自身對齊值為1，對於short型為2，對於int，float，double類型，其自身對齊值為4個位元組。 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)時指定的對齊value。 4．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數 據結構的起始地址。結構體的成員變數要對齊的排放，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，結合下面例子理解）。這樣就不難理解上面的幾個例子的值了。 分析結構體Ｂ： 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VC下，該值預設為8。第一個成員變數b的自身對齊值是1，比指定或者預設對齊值 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0x0008到0x0009存放的是B的內容。 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，0x00000到 x0009其10個位元組，（10+2）%4=0。所以0x000A到0x000B也為結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B共有12個位元組， 最後sizeof(struct B)的值也為12；其實如果就這一個來說它已將滿足位元組對齊了，因為它的起始地址是0，因此肯定是對齊的，之所以在後面補充2個位元組，是因為編譯器為了實 現結構體數組的存取效率，試想如果我們定義了一個結構體B的數組，那麼第一個結構體起始地址是0沒有問題，但是第二個結構呢？按照數組的定義，數組中所在 元素都是緊挨著的，如果我們不把結構體的大小補充為4的整數倍，那麼下一個結構的起始地址將是0x000A，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倍。其實諸如：對於char型資料，其自身對齊為1，對於short型為2，對於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於數組考慮的，只是因為這些類型的長度已知了，所以他們自身對齊值也就已知了。 同理，分析下面的例子C： #pragma pack (2)     /*指定按2位元組對齊*/ struct C { char b; int a; short c; } 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 的位元組空間中，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，順序在0x0006、0x0007中，符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x0007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。 四、針對位元組對齊，我們在編程中如何考慮？ 如 果在編程的時候要考慮節約空間的話，那麼我們只需要假定結構的首地址是0， 然後各個變數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數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成員對我們的程式沒有什麼意義，它只是起到填補空間以達到位元組對齊的目的，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示的提醒作用。 五、位元組對齊可能帶來的隱患 代碼中關於對齊的隱患，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; 最後兩行代碼，從奇數邊界去訪問unsigned short型變數，顯然不符合對齊的規定。 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，因為它們要求位元組必須對齊。