c++中的記憶體對齊

来源:http://www.cnblogs.com/suntp/archive/2017/02/20/MemAlignment.html
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//(32bit,x86環境,vs2010) struct test { char m1; unsigned int m2; char m3; double m4; char m5; }; 對其執行sizeof(test),得到值為32,並且我們對裡面每個變數取sizeof,確實是所屬類型的大小,但 ...


//(32bit,x86環境,vs2010)

struct test

{

       char m1;

       unsigned int m2;

       char m3;

       double m4;

       char m5;

};

對其執行sizeof(test),得到值為32,並且我們對裡面每個變數取sizeof,確實是所屬類型的大小,但為什麼不是1+4+1+8+1=15呢,我們執行下麵代碼來計算每個變數之間的地址偏移量:

       test t;

       cout << sizeof(t) << endl;

       cout << (unsigned int)(void*)&t.m2 - (unsigned int)(void*)&t.m1 << endl;

       cout << (unsigned int)(void*)&t.m3 - (unsigned int)(void*)&t.m2 << endl;

       cout << (unsigned int)(void*)&t.m4 - (unsigned int)(void*)&t.m3 << endl;

       cout << (unsigned int)(void*)&t.m5 - (unsigned int)(void*)&t.m4 << endl;

輸出結果如下

32

4

4

8

8

 

這是因為結構體記憶體分配有自己的對齊規則,結構體記憶體對齊預設的規則如下:

1、 分配記憶體的順序是按照聲明的順序。

2、 每個變數相對於起始位置的偏移量必須是該變數類型大小的整數倍,不是整數倍空出記憶體,直到偏移量是整數倍為止。

3、 最後整個結構體的大小必須是裡面變數類型最大值的整數倍。

 

分析上面test結構體

1、 分配m1,此時偏移量是0,整數倍,分配1個位元組

2、 分配m2,此時偏移量為1,int型大小為4,不是整數倍,因此先跳過3個位元組,此時偏移量為4,達到整數倍,分配m2的四個位元組,因此這個步驟分配了7個位元組

3、 分配m3,此時的偏移量為8,m3只需要1個位元組,整數倍,分配1個位元組

4、 分配m4,此時偏移量為9,double型是8個位元組,不是整數倍,下一個整數倍是16,因此先跳過7個位元組,再分配m4,該步驟共分配了15個位元組。

5、 分配m5,此時的偏移量為24,是整數倍,分配1個位元組

6、 此時一共分配了25個位元組,但總大小要是最大類型大小的整數倍,double為最大類型,是8,最近的是32,因此該步驟要再分配7個位元組。

 

當然上面只是編譯器預設的分配規則,我們可以通過下麵幾個方法改變結構體的大小

1、 改變結構體中變數的聲明順序,按照類型大小從小到大的順序聲明,占用的空間就會比較小。

2、   我們可以使用#pragma修改這個規則, #pragma是C++的一個預處理指令,它有很多作用,其中一個作用就是修改分配規則。在上面代碼的結構體定義前面添加:

#pragma pack(1)

運行結果如下

15

1

4

1

8

 

改為#pragma pack(2)時如下

18

2

4

2

8

 

添加了#pragma pack(n)後規則就變成了下麵這樣:

1、 偏移量要是n和當前變數大小中較小值的整數倍

2、 整體大小要是n和最大變數大小中較小值的整數倍

3、 n值必須為1,2,4,8…,為其他值時就按照預設的分配規則

 

註意:其實最開始的例子也是按照這樣的規則,只是它使用的是系統預設的n值,預設為8,vs中的路徑為Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment。

 

#pragma pack的常用用法如下

1、#pragma pack(push, n) //將當前對齊值值設為n,並將之前的對齊值壓棧保存

2、#pragma pack(n)//將當前對齊值設為n,不保存之前值

3、#pragma pack()//將當前對齊值恢復到預設8

4、#pragma pack(pop)//如果棧有值,就以棧頂值出棧並設為為當前值,棧里沒有值否則就不變

5、#pragma pack(pop, n)// 如果棧有值,就以棧頂值出棧,將當前對齊值設為n

 

除了結構體,聯合和類也是這樣的。

為什麼要對齊呢,現代電腦中記憶體空間都是按照byte劃分的,從理論上講似乎對任何類型的變數的訪問可以從任何地址開始,但實際情況是在訪問特定變數的時候經常在特定的記憶體地址訪問,這就需要各類型數據按照一定的規則在空間上排列,而不是順序的一個接一個的排放,這就是對齊。 對齊的作用和原因:各個硬體平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。其他平臺可能沒有這種情況,但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對數據存放進行對齊,會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始,如果一個int型(假設為32位系統)如果存放在偶地址開始的地方,那麼一個讀周期就可以讀出,而如果存放在奇地址開始的地方,就可能會需要2個讀周期,並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該int數據。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。一般我們寫程式的時候,不需要考慮對齊問題。編譯器會替我們選擇適合目標平臺的對齊策略。

 

代碼中關於對齊的隱患,很多是隱式的。比如在強制類型轉換的時候。例如:

       unsigned int i = 0xFFFFFFFF;

       cout << hex << i << endl;

       char *p = NULL;

       unsigned short *p1=NULL;

       //p= reinterpret_cast<unsigned char *>(&i);  

       p= (char *)(&i);  

       *p=0x00;

       cout << hex << i << endl;

       p1=(unsigned short *)(p+1);

       *p1=0x0000;

       cout << hex << i << endl;

輸出結果如下

 ffffffff

ffffff00

ff000000

最後兩句代碼,從奇數邊界去訪問unsignedshort型變數,顯然不符合對齊的規定。


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