也談記憶體對齊

一、記憶體對齊的原因

大部分的參考資料都是如是說的：

1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬體平台都能訪問任意位址上的任意資料的；某些硬體平台只能在某些位址處取某些特定型別的資料，否則丟擲硬體異常。

2、效能原因：資料結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在於，為了訪問未對齊的記憶體，處理器需要作兩次記憶體訪問；而對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。

二、對齊規則

每個特定平台上的編譯器都有自己的預設「對齊係數」(也叫對齊模數)。程式設計師可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一係數，其中的n就是你要指定的「對齊係數」。

規則：1、資料成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的資料成員，第乙個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個資料成員自身長度中，比較小的那個進行。

2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在資料成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大資料成員長度中，比較小的那個進行。

3、結合1、2顆推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。

三、試驗

我們通過一系列例子的詳細說明來證明這個規則吧!

我試驗用的編譯器包括gcc 3.4.2和vc6.0的c編譯器，平台為windows xp + sp2。

我們將用典型的struct對齊來說明。首先我們定義乙個struct：

#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */

struct test_t ;

#pragma pack(n)

首先我們首先確認在試驗平台上的各個型別的size，經驗證兩個編譯器的輸出均為：

sizeof(char) = 1

sizeof(short) = 2

sizeof(int) = 4

我們的試驗過程如下：通過#pragma pack(n)改變「對齊係數」，然後察看sizeof(struct test_t)的值。

1、1位元組對齊(#pragma pack(1))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 8 [兩個編譯器輸出一致]

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(1)

struct test_t ;

#pragma pack()

成員總大小=8

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 1) = 1

整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]

2、2位元組對齊(#pragma pack(2))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 10 [兩個編譯器輸出一致]

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(2)

struct test_t ;

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 2) = 2

整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 10 /* 10%2=0 */

3、4位元組對齊(#pragma pack(4))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(4)

struct test_t ;

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 4) = 4

整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */

4、8位元組對齊(#pragma pack(8))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(8)

struct test_t ;

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 8) = 4

整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */

5、16位元組對齊(#pragma pack(16))

輸出結果：sizeof(struct test_t) = 12 [兩個編譯器輸出一致]

分析過程：

1) 成員資料對齊

#pragma pack(16)

struct test_t ;

#pragma pack()

成員總大小=9

2) 整體對齊

整體對齊係數 = min((max(int,short,char), 16) = 4

整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊係數) 圓整 = 12 /* 12%4=0 */

四、結論

8位元組和16位元組對齊試驗證明了「規則」的第3點：「當#pragma pack的n值等於或超過所有資料成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果」。另外記憶體對齊是個很複雜的東西，上面所說的在有些時候也可能不正確。呵呵^_^

[注1]

什麼是「圓整」？

舉例說明：如上面的8位元組對齊中的「整體對齊」，整體大小=9 按 4 圓整 = 12

圓整的過程：從9開始每次加一，看是否能被4整除，這裡9，10，11均不能被4整除，到12時可以，則圓整結束。

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