C-边界对齐

转自:http://blog.csdn.net/b_h_l/article/details/7738197

许 多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对 齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽 松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数 的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次 内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要 求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序 数据都应该尽可能地对齐。

 

规则:

第一,编译器按照成员列表的顺序给每个成员分配内存.
第二,当成员需要满足正确的边界对齐时,成员之间用额外字节填充.
第三,结构体的首地址必须满足结构体中边界要求最为严格的数据类型所要求的地址.
第四,结构体的大小为其最宽基本类型的整数倍.

 

sizeof操作符能够得出一个结构体的整体长度,包括因边界对齐而额外填充的那些字节.

offsetof(type, member)宏能求得成员在结构体内的偏移,返回size_t.

典型例子：

 

 

原则1、普通数据成员对齐规则：第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int在32位机为４字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

原则2、结构体成员对齐规则：如果一个结构里有某些结构体成员，则该结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储。）

原则3、结构体大小对齐规则：结构体大小也就是sizeof的结果，必须是其内部成员中最大的对齐参数的整数倍，不足的要补齐。

补充一点，如果数组作为结构体成员，比如：char a[3]。它的对齐方式和分别写3个char是一样的，也就是说它还是按1个字节对齐。如果写： typedef char Array3[3]；Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐，而不是按它的长度3对齐。如果共用体作为结构体成员，则该共用体成员要从其内部 最大元素大小的整数倍地址开始存储。

还有一种对齐原则，和上面三条一致，可以参考着理解。

成员对齐有一个重要的条件，即每个成员按自己的方式对齐。其对齐的规则是，每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里默认是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

这三个原则具体怎样理解呢？我们看下面几个例子，通过实例来加深理解。

例1：struct {
              short a1;
              short a2;
              short a3;
       }A;

       struct{
              long a1;
              short a2;
      }B;

sizeof(A) = 6; 这个很好理解，三个short都为2。

sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节？long为4，short为2，整个为8，因为原则3。

例2：struct A{
               int a;
               char b;
               short c;
        };

        struct B{
               char b;
               int a;
               short c;
       };

sizeof(A) = 8; int为4，char为1，short为2，这里用到了原则1和原则3。

sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围？char为1，int为4，short为2，怎么会是12？还是原则1和原则3。

深究一下，为什么是这样，我们可以看看内存里的布局情况。

                    a        b   c
A的内存布局：1111, 1*,11

                    b       a       c
B的内存布局：1***,1111,11**

其中星号*表示填充的字节。A中，b后面为何要补充 一个字节？因为c为 short，其起始位置要为2的倍数，就是原则1。c的后面没有补充，因为b和c正好占用4个字节，整个A占用空间为4的倍数，也就是最大成员int类型 的倍数，所以不用补充。B中，b是char为1，b后面补充了3个字节，因为a是int为4，根据原则1，起始位置要为4的倍数，所以b后面要补充3个字 节。c后面补充两个字节，根据原则3，整个B占用空间要为4的倍数，c后面不补充，整个B的空间为10，不符，所以要补充2个字节。

再看一个结构中含有结构成员的例子：

例3：struct A{
               int a;
               double b;
               float c;
       };

       struct B{
              char e[2];
              int f;
              double g;   
              short h;
              struct A i;
       };

sizeof(A) = 24; 这个比较好理解，int为4，double为8，float为4，总长为8的倍数，补齐，所以整个A为24。

sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                    e         f       g                h                      i  
B 的内存布局：11* *,1111,11111111, 11 * * * * * *,1111* * * *, 11111111, 1111 * * * * 。 i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数，所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚，有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

以上讲的都是没有#pragma pack宏的情况，如果有#pragma pack宏，对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragma pack(1)，内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;有了#pragma pack(1)，内存不会再遵循原则1和原则3了，按1字节对齐。没错，这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

                    a       b               c
A的内存布局：1111,11111111,1111

                    e    f       g               h   i  
B的内存布局：11,1111,11111111,11,1111, 11111111, 1111 

 那#pragma pack(2)的结果又是多少呢？#pragma pack(4)呢？留给大家自己思考吧，相信没有问题。

 还有一种常见的情况，结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：  
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；  
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；  
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式；  
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；  
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

还是让我们来看看例子。

例4：struct A{  
               char f1 : 3;  
               char f2 : 4;  
               char f3 : 5;  
       };

                    a      b          c
A的内存布局：111,1111 *,11111 * * *

位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

例5：struct B{  
               char f1 : 3;  
               short f2 : 4;  
               char f3 : 5;  
       };

由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C++中为2。

例6：struct C{  
               char f1 : 3;  
               char f2;  
               char f3 : 5;  
       };

非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

考虑一个问题，为什么要设计内存对齐的处理方式呢？ 如果体系结构是不对齐 的，成员将会一个挨一个存储，显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢？体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假 设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率 来考虑的。有兴趣的可以google一下，人家就可以跟你解释的，一大堆的道理。

最后顺便提一点，在设计结构体的时候，一般会尊照一个习惯，就是把占用空间小的类型排在前面，占用空间大的类型排在后面，这样可以相对节约一些对齐空间。

 

先来说说为什么要有边界对齐：

简 单说，任何CPU都有一个固定的基本长度，下面以32位CPU为例（也有64位或其他的）。CPU在工作时只能按照该长度的整倍数为边界进行内存操作。即 只能从地址0、32、64、96...处进行存取，而不能从27、58、83等非边界地址处进行。如果一定要取这些非边界地址处的内容，则必须用若干个操 作将其凑出来，因而大大影响存取效率。

另一方面，一个结构体的设计长度却并不一定是32的倍数，例如一个包含六个字符的结构其设计长度仅为48位。如果多个这样的结构在内存中顺着摆放，则许多 结构的起始地址将不在边界处。因此，编译程序总是会将每个结构的尾部都加入一些必要的空白，将其凑成32的整数倍。这就是边界对齐的基本道理。

 

下面开始谈边界对齐：

#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa;
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestB);
　　这里nSize结果为12，在预料之中。

　　现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;
　　　　short b;
　　　　char c;
　　};
　　int nSize = sizeof(TestC);
　　按照正常的填充方式nSize的结果应该是8，为什么结果显示nSize为6呢？

事实上，很多人对#pragma pack的理解是错误的。
#pragma pack规定的对齐长度，实际使用的规则是：
结构，联合，或者类的数据成员，第一个放在偏移为0的地方，以后每个数据成员的对齐，按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
也就是说，当#pragma pack的值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个值的大小将不产生任何效果。
而结构整体的对齐，则按照结构体中最大的数据成员 和 #pragma pack指定值 之间，较小的那个进行。

具体解释
#pragma pack(4)
　　class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
这个类实际占据的内存空间是9字节
类之间的对齐，是按照类内部最大的成员的长度，和#pragma pack规定的值之中较小的一个对齐的。
所以这个例子中，类之间对齐的长度是min(sizeof(int),4)，也就是4。
9按照4字节圆整的结果是12，所以sizeof(TestB)是12。

如果
#pragma pack(2)
class TestB
　　{
　　public:
　　　　int aa; //第一个成员，放在[0,3]偏移的位置，
　　　　char a; //第二个成员，自身长为1，#pragma pack(4),取小值，也就是1，所以这个成员按一字节对齐，放在偏移[4]的位置。
　　　　short b; //第三个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[6,7]的位置。
　　　　char c; //第四个，自身长为1，放在[8]的位置。
　　};
//可以看出，上面的位置完全没有变化，只是类之间改为按2字节对齐，9按2圆整的结果是10。
//所以 sizeof(TestB)是10。

最后看原贴：
现在去掉第一个成员变量为如下代码：
　　#pragma pack(4)
　　class TestC
　　{
　　public:
　　　　char a;//第一个成员，放在[0]偏移的位置，
　　　　short b;//第二个成员，自身长2，#pragma pack(4)，取2，按2字节对齐，所以放在偏移[2,3]的位置。
　　　　char c;//第三个，自身长为1，放在[4]的位置。
　　};
//整个类的大小是5字节，按照min(sizeof(short),4)字节对齐，也就是2字节对齐，结果是6
//所以sizeof(TestC)是6。

当数据定义中出现__declspec( align() )时，指定类型的对齐长度还要用自身长度和这里指定的数值比较，然后取其中较大的。最终类/结构的对齐长度也需要和这个数值比较，然后取其中较大的。

可以这样理解， __declspec( align() ) 和 #pragma pack是一对兄弟，前者规定了对齐的最小值，后者规定了对齐的最大值，两者同时出现时，前者拥有更高的优先级。
__declspec( align() )的一个特点是，它仅仅规定了数据对齐的位置，而没有规定数据实际占用的内存长度，当指定的数据被放置在确定的位置之后，其后的数据填充仍然是按照#pragma pack规定的方式填充的，这时候类/结构的实际大小和内存格局的规则是这样的：
在__declspec( align() )之前，数据按照#pragma pack规定的方式填充，如前所述。当遇到__declspec( align() )的时候，首先寻找距离当前偏移向后最近的对齐点（满足对齐长度为max(数据自身长度,指定值) )，然后把被指定的数据类型从这个点开始填充，其后的数据类型从它的后面开始，仍然按照#pragma pack填充，直到遇到下一个__declspec( align() )。
当所有数据填充完毕，把结构的整体对齐数值和__declspec( align() )规定的值做比较，取其中较大的作为整个结构的对齐长度。
特别的，当__declspec( align() )指定的数值比对应类型长度小的时候，这个指定不起作用。

如果代码: 
#pragma pack(8) 
struct S1{ 
char a; 
long b; 
}; 
struct S2 { 
char c; 
struct S1 d; 
long e; 
}; 
#pragma pack() 
sizeof(S2)结果为16. 
成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐. 
也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节. 
S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8; 
S2中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d是个结构,它是8个字节,它按什么对齐 呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是4个字节,它是 默认按4字节对齐,和指定的一样,所以它对到4字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第12个字节开始放置成员e. 这时,长度为16,已经可以被4(成员e按4字节对齐)整除.这样,一共使用了16个字节. 
a b 
S1的内存布局：11**,1111, 
c S1.a S1.b d 
S2的内存布局：1***,1***,1111,1111 

这里有三点很重要: 
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度

2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度 
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐