内存对齐的规则以及作用

首先由一个程序引入话题：

 

 

1 //环境：vc6 + windows sp2
 2 //程序1
 3 #include <iostream>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 struct st1 
 8 {
 9     char a ;
10     int  b ;
11     short c ;
12 };
13 
14 struct st2
15 {
16     short c ;
17     char  a ;
18     int   b ;
19 };
20 
21 int main()
22 {
23     cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
24     cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
25     return 0 ;
26 }
27 

 

程序的输出结果为：

 sizeof(st1) is 12

        sizeof(st2) is 8

 

 

问题出来了，这两个一样的结构体，为什么sizeof的时候大小不一样呢？

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

 

内存对齐，正是因为内存对齐的影响，导致结果不同。

对于大多数的程序员来说，内存对齐基本上是透明的，这是编译器该干的活，编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，从而导致了相同的变量，不同声明顺序的结构体大小的不同。

 

       那么编译器为什么要进行内存对齐呢？程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后，结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前，先来看下内存对齐的规则：

 

<!--[if !supportLists]-->1、  <!--[endif]-->对于结构的各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) 的倍数。

<!--[if !supportLists]-->2、  <!--[endif]-->在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。

 

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

 

以程序1为例解释对齐的规则 ：

St1 ：char占一个字节，起始偏移为0 ，int 占4个字节，min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) = 4（VC6默认8字节对齐），所以int按4字节对齐，起始偏移必须为4的倍数，所以起始偏移为4，在char后编译器会添加3个字节的额外字节，不存放任意数据。short占2个字节，按2字节对齐，起始偏移为8，正好是2的倍数，无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束，此时的内存状态为：

 

oxxx|oooo|oo

 

0123 4567 89 （地址）

（x表示额外添加的字节）

 

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行，st1结构中最大数据成员长度为int，占4字节，而默认的#pragma pack 指定的值为8，所以结果本身按照4字节对齐，结构总大小必须为4的倍数，需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为：

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab  （地址）

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

 

St2 的对齐方法和st1相同，读者可自己完成。

 

内存对齐的主要作用是：

<!--[if !supportLists]-->1、  <!--[endif]-->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。

<!--[if !supportLists]-->2、  <!--[endif]-->性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

 

图一：

这是普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成，而CPU并不是这么看待的。

 

图二：

CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16字节大小，因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity（粒度） 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

 

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->数据从0字节开始

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->数据从1字节开始

 

再次假设内存读取粒度为4。

 

图三：

 

当该数据是从0字节开始时，很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节开始时，问题变的有些复杂，此时该int型数据不是位于内存读取边界上，这就是一类内存未对齐的数据。

 

图四：

 

 

此时CPU先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了CPU性能。

    这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

 

图片来自：Data alignment: Straighten up and fly right

如大家对内存对齐对性能的具体影响情况，可以参考上文。

 

关于字节对齐：


查阅资料后发现，字节对齐有助于加快计算机的取数速度，否则就得多花指令周期了。为此，编译器默认会对结构体进行处理（实际上其它地方的数据变量也是如此），让宽度为2的基本数据类型（short等）都位于能被2整除的地址上，让宽度为4的基本数据类型（int等）都位于能被4整除的地址上，以此类推。这样，两个数中间就可能需要加入填充字节，所以整个结构体的sizeof值就增长了。


字节对齐的细节和编译器实现相关，但一般而言，满足三个准则：


1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。