内存对齐问题

typedef struct
{
UINT32 NumElements;
union
{
UINT32 ObjectHandle;
}Entry;
}STR_ARRAY, *PSTR_ARRAY;

还有这两句#pragma pack(push, 1)
#pragma pack(pop)

#pragma pack( [ n ] )
该指令指定结构和联合成员的紧凑对齐。而一个完整的转换单元的结构和联合
的紧凑对齐由/ Z p 选项设置。紧凑对齐用p a c e 编译指示在数据说明层设置。该
编译指示在其出现后的第一个结构或联合说明处生效。该编译指示对定义无效。
当你使用#pragma pack ( n ) 时, 这里n 为1 、2 、4 、8 或1 6 。第一个结构成员之
后的每个结构成员都被存储在更小的成员类型或n 字节界限内。如果你使用无
参量的#pragma pack , 结构成员被紧凑为以/ Z p 指定的值。该缺省/ Z p 紧凑值为
/ Z p 8 。
编译器也支持以下增强型语法:
#pragma pack( [ [ { p u s h | p o p } , ] [ 标识符, ] ] [ n] )
若不同的组件使用p a c k 编译指示指定不同的紧凑对齐, 这个语法允许你把程序
组件组合为一个单独的转换单元。
带p u s h 参量的p a c k 编译指示的每次出现将当前的紧凑对齐存储到一个内部编
译器堆栈中。编译指示的参量表从左到右读取。如果你使用p u s h , 则当前紧凑
值被存储起来; 如果你给出一个n 的值, 该值将成为新的紧凑值。若你指定一个
标识符, 即你选定一个名称, 则该标识符将和这个新的的紧凑值联系起来。
带一个p o p 参量的p a c k 编译指示的每次出现都会检索内部编译器堆栈顶的值,
并且使该值为新的紧凑对齐值。如果你使用p o p 参量且内部编译器堆栈是空的,
则紧凑值为命令行给定的值, 并且将产生一个警告信息。若你使用p o p 且指定一
个n 的值, 该值将成为新的紧凑值。
若你使用p o p 且指定一个标识符,  所有存储在堆栈中的值将从栈中删除, 直到找
到一个匹配的标识符, 这个与标识符相关的紧凑值也从栈中移出, 并且这个仅在
标识符入栈之前存在的紧凑值成为新的紧凑值。如果未找到匹配的标识符, 将使
用命令行设置的紧凑值, 并且将产生一个一级警告。缺省紧凑对齐为8 。
p a c k 编译指示的新的增强功能让你编写头文件, 确保在遇到该头文件的前后的
紧凑值是一样的。

什么是内存对齐

考虑下面的结构：

struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};

假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的，假设c1的地址是0，那么s的地址就应该是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。

可是，我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序：

struct foo a;
printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
运行，输出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

为什么会这样？这就是内存对齐而导致的问题。

为什么会有内存对齐

以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
无论如何，为了提高程序的性能，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；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。
一个字或双字操作数跨越了4字节边界，或者一个四字操作数跨越了8字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。
某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常（#GP）。双四字的自然边界是能够被16整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

编译器对内存对齐的处理

缺省情况下，c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此，上面的程序输出就变成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
编译器将未对齐的成员向后移，将每一个都成员对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员之间有空洞），但提高了性能。
也正是这个原因，我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中，sizeof(foo) == 12。

如何避免内存对齐的影响

那么，能不能既达到提高性能的目的，又能节约一点空间呢？有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成：

struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中，sizeof(bar) == 8。

这个技巧有一个重要的作用，尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变，从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式，而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。
比如，foo结构，我们的DLL使用默认对齐选项，对齐为
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同时sizeof(foo) == 12。
而第三方将对齐选项关闭，导致
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同时sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的对齐选项

vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字节边界对齐，相应的，/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说，一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上，取它们中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
实际上，1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
/Zpn选项是应用于整个工程的，影响所有的参与编译的结构。
要使用这个选项，可以在vc6中打开工程属性页，c/c++页，选择Code Generation分类，在Struct member alignment可以选择。

要专门针对某些结构定义使用对齐选项，可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意义和/Zpn选项相同。比如：

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()

栈内存对齐

我们可以观察到，在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。（本来就是两码事）。它总是保持对齐，而且对齐在4字节边界上。

验证代码

#include <stdio.h>

struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};

struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()

int main(int argc, char* argv[])
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;

struct foo a;
struct bar b;
struct foo_pack p;

printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);

printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);

printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);

printf("sizeof foo is %d\n", sizeof(foo));
printf("sizeof bar is %d\n", sizeof(bar));
printf("sizeof foo_pack is %d\n", sizeof(foo_pack));

return 0;
}