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内存对齐

内存对齐

计算机对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，会要求这些数据的首地址的值是某个数（通常它是 4 或 8 或 16）的倍数，这个就是内存对齐

一、必要性

假设一个 int 变量（32 位系统，4字节）存放在从地址 0x1 开始的连续 4 个字节地址中，处理器去读取数据时，得先从 0x0 地址开始读取第一个 4 字节块，剔除不想要的字节（0x0 地址），然后从地址 0x4 开始读取下一个 4 字节块，同样剔除不想要的数据（0x5、6、7 地址），最后留下的两块数据合并放入寄存器。这样的话，访问一个数据需要做很多工作。

在内存对齐的情况下，一个 int 变量（32 位系统，4字节），处理器可以一次性将它读出来，效率大大提高。这是性能原因

为什么需要内存对齐：

  • **平台原因(移植原因)**：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常
  • 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问

二、内存对齐规则

不同平台、不同编译器有不同的“对齐系数”。32位系统中 gcc 对齐数默认为：#pragma pack(4)

内存对齐需要遵循的规则

  • 结构体第一个成员的偏移量（offset）为 0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐数中较小的那个整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。
  • 结构体的总大小为（有效对齐数和结构体中最大数据成员对齐长度的较小值的整数倍），如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节
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// 32 位系统，对齐数为 4
struct {
		char c1;
		int i;
		char c2;
} stu;

首先使用规则 1，对成员变量进行对齐：

  • sizeof(c1) = 1 <= 4，按照 1 字节对齐，占用第 0 单元
  • sizeof(i) = 4 <= 4，相对于结构体首地址的偏移要为 4 的倍数，占用第 4、5、6、7 单元
  • sizeof(c2) = 1 <= 4，相对于结构体首地址的偏移要为 1 的倍数，占用第 8 单元

然后使用规则 2，对结构体整体进行对齐：

  • 对齐数最大的元素是变量 i，占用 4 字节，有效对齐数也是 4 字节，因此按照对齐数为 4 字节。因此结构体总共占 9 个字节，按 4 字节对齐总共占用 12 字节。

三、技巧

更改编译器的缺省字节对齐方式：

  • 使用 #pragma pack(n) ，编译器将按照 n 个字节对齐
  • 使用 #pragma pack()，取消自定义字节对齐方式

四、位域

结构体中某字段的希望占用一位或者几位。因此可以把多个字段用一个字节来表示，如下：

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struct {
		int a:8;
		int b:2;
		int c:6;
};

有几点需要注意事项：

  • 一个位域必须存储在同一个字节中，不能跨两个字节。如一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始。

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    struct {
    		unsigned a:6;
    		unsigned 0;  // 空域
    		unsigned b:4;  // 从下一单元开始存放
    		unsigned c:4;
    }

  • 由于位域不允许跨 2 个字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度，也就是不能超过 8 位。

  • 位域可以无位域名，只用来填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。

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    struct {
    		int a:1;
    		int :2;
    		int b:3;
    		int c:2;
    }