内存对齐

我会带着你远行 2021-06-11 15:10 464阅读 0赞

首先由一个程序引入话题：//环境：vc6 + windows sp2  
程序1：

#include "stdafx.h"
    #include <iostream>
    using namespace std; 
    struct st1 
    {
       char a ;
       int  b ;
       short c ;
     };
     struct st2
    {
       short c ;
       char  a ;
       int   b ;
    };
    int main()
    {
      cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
      cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
    
      system("pause");
      return 0 ;
    }

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：**

1、  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。

2、  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：**

1、  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。

2、  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：  
![howProgrammersSeeMemory.jpg][]

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：

![howProcessorsSeeMemory.jpg][]

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：

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

再次假设内存读取粒度为4。

图三：

![quadByteAccess.jpg][]

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：

![unalignedAccess.jpg][]

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][Data alignment_ Straighten up and fly right]

参考网站：

[http://www.cppblog.com/snailcong/archive/2009/03/16/76705.html][http_www.cppblog.com_snailcong_archive_2009_03_16_76705.html]

[http://hi.baidu.com/hintonic/blog/item/f6e5a92058d99e6e93580707.html][http_hi.baidu.com_hintonic_blog_item_f6e5a92058d99e6e93580707.html]

[http://bbs.ednchina.com/BLOG\_ARTICLE\_82066.HTM][http_bbs.ednchina.com_BLOG_ARTICLE_82066.HTM]

[howProgrammersSeeMemory.jpg]: /images/20210522/99b4ed05215347119ccbd3abfe724125.png
[howProcessorsSeeMemory.jpg]: /images/20210522/2970b1418c714632b57ab92d1b01c26b.png
[quadByteAccess.jpg]: /images/20210522/956eef8f213746bdb58d9ad0336ea8bc.png
[unalignedAccess.jpg]: /images/20210522/f125d44939864f338f95a4d9e247320a.png
[Data alignment_ Straighten up and fly right]: http://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/
[http_www.cppblog.com_snailcong_archive_2009_03_16_76705.html]: http://www.cppblog.com/snailcong/archive/2009/03/16/76705.html
[http_hi.baidu.com_hintonic_blog_item_f6e5a92058d99e6e93580707.html]: http://hi.baidu.com/hintonic/blog/item/f6e5a92058d99e6e93580707.html
[http_bbs.ednchina.com_BLOG_ARTICLE_82066.HTM]: http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_82066.HTM