C/C++內存對齊詳解

本文轉載自查看原文 2021-01-19 12:04 818 iOS-A底層分析

1、什么是內存對齊

還是用一個例子帶出這個問題，看下面的小程序，理論上，32位系統下，int占4byte，char占一個byte，那么將它們放到一個結構體中應該占4+1=5byte；但是實際上，通過運行程序得到的結果是8 byte，這就是內存對齊所導致的。

//32位系統
#include<stdio.h>
struct{
    int x;
    char y;
}s;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(s);  // 輸出8
    return 0;
}

現代計算機中內存空間都是按照 byte 划分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但是實際的計算機系統對基本類型數據在內存中存放的位置有限制，它們會要求這些數據的首地址的值是某個數k（通常它為4或8）的倍數，這就是所謂的內存對齊。

2、為什么要進行內存對齊

盡管內存是以字節為單位，但是大部分處理器並不是按字節塊來存取內存的.它一般會以雙字節,四字節,8字節,16字節甚至32字節為單位來存取內存，我們將上述這些存取單位稱為內存存取粒度.

現在考慮4字節存取粒度的處理器取int類型變量（32位系統），該處理器只能從地址為4的倍數的內存開始讀取數據。

假如沒有內存對齊機制，數據可以任意存放，現在一個int變量存放在從地址1開始的連續四個字節地址中，該處理器去取數據時，要先從0地址開始讀取第一個4字節塊,剔除不想要的字節（0地址）,然后從地址4開始讀取下一個4字節塊,同樣剔除不要的數據（5，6，7地址）,最后留下的兩塊數據合並放入寄存器.這需要做很多工作.

簡單的說內存對齊能夠提高 cpu 讀取數據的速度，減少 cpu 訪問數據的出錯性（有些 cpu 必須內存對齊，否則指針訪問會出錯）。

現在有了內存對齊的，int類型數據只能存放在按照對齊規則的內存中，比如說0地址開始的內存。那么現在該處理器在取數據時一次性就能將數據讀出來了，而且不需要做額外的操作，提高了效率。

3、內存對齊規則

每個特定平台上的編譯器都有自己的默認“對齊系數”（也叫對齊模數）。gcc中默認#pragma pack(4)，可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n = 1,2,4,8,16來改變這一系數。

有效對其值：是給定值#pragma pack(n)和結構體中最長數據類型長度中較小的那個。有效對齊值也叫對齊單位。

了解了上面的概念后，我們現在可以來看看內存對齊需要遵循的規則：

(1) 結構體第一個成員的偏移量（offset）為0，以后每個成員相對於結構體首地址的 offset 都是該成員大小與有效對齊值中較小那個的整數倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充字節。

(3) 結構體的總大小為有效對齊值的整數倍，如有需要編譯器會在最末一個成員之后加上填充字節。

下面給出幾個例子以便於理解：

//32位系統
#include<stdio.h>
struct
{
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}x1;

struct{
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}x2;

struct{
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}x3;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(x1));  // 輸出8
    printf("%d\n",sizeof(x2));  // 輸出12
    printf("%d\n",sizeof(x3));  // 輸出8
    return 0;
}