記憶體中的資料對齊

2021-07-11 20:30:30 字數 3074 閱讀 3007

為何要位元組對齊

簡單來說就是提高cpu對記憶體的訪問效率。為了訪問未對齊的記憶體,處理器需要作兩次記憶體訪問;然而,對齊的記憶體訪問僅需要一次訪問。比如有些平台每次讀都是從偶位址開始,如果乙個int型(假設為32位系統)存放在偶位址開始的地方 ,那麼讀乙個週期就可以讀出這32bit,而如果存放在奇位址開始的地方,就需要讀2個週期,並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該32bit資料。

二.基本概念

(1)資料型別自身的對齊值:任何基本資料型別t的自身對齊值就是t的大小,即sizeof(t)。char型、short型、int型、long型、float型、double型的自身對齊值分別為1、2、4、4、4、8,單位為位元組。

(2)結構體或者類的自身對齊值:其成員變數自身對齊值中最大的那個值。

(3)指定對齊值:使用#pragma pack(value)時指定的對齊值。

(4)資料成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。

(5)圓整值:編譯器對結構體進行圓整(即,在結構體最末填充一定的位元組)。圓整值大小為結構體的自身對齊值與#pragma pack(value)中指定的對齊值中較小的那個值。

三.位元組對齊規則

有效對齊值n是最終用來決定資料存放位址方式的值。有效對齊值n,就是表示「對齊在n上」,也就是說該資料「存放起始位址%n=0」。而資料結構中資料變數都是按定義的先後順序來排放的。第乙個資料變數的起始位址就是資料結構的起始位址。結構體的成員變數要對齊排放,結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(即結構體成員變數占用總長度需要對結構體有效對齊值的的整數倍)。

即:(1)結構體變數的首位址能夠被結構體有效對齊值整除。

(2)結構體每個成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)都是該成員有效對齊值的整數倍。如有需要,編譯器會在成員之間加上中間填充位元組。

(3)最後對結構體進行圓整操作,結構體總大小為結構體有效對齊值的整數倍,如有需要,編譯器會在最末乙個成員之後加上末尾填充位元組來進行圓整。

若出現結構體巢狀,則規則修改如下:

(1)結構體變數的首位址能夠被結構體有效對齊值整除。

(2)結構體每個成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)都是該成員有效對齊值的整數倍。如有需要,編譯器會在成員之間加上中間填充位元組。

(3)結構體的復合成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)都是復合成員有效對齊值的整數倍。如有需要,編譯器會在成員之間加上中間填充位元組。

(4)最後對結構體進行圓整操作,結構體總大小為結構體有效對齊值的整數倍,如有需要,編譯器會在最末乙個成員之後加上末尾填充位元組來進行圓整。

四.例項分析

《例項一》

struct b  

;

假 設b從位址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環境下,該值預設為4。第乙個成員變數b的自身對齊值是1,比指定或者預設指定對齊值4小,所以其有效對齊值為1,所以其存放位址0x0000,符合0x0000%1=0。第二個成員變數a,其自身對齊值為4,所以有效對齊值也為4, 所以只能存放在起始位址為0x0004到0x0007這四個連續的位元組空間中,符合0x0004%4=0,且緊靠第乙個變數。第三個變數c,自身對齊值為 2,所以有效對齊值也是2,可以存放在0x0008到0x0009這兩個位元組空間中,符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的 都是b內容。再看資料結構b的自身對齊值為其資料成員中最大對齊值(這裡是b)所以就是4,所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求, 0x0009到0x0000=10位元組,(10+2)%4=0。所以0x0000a到0x000b也為結構體b所占用。故b從0x0000到0x000b 共有12個位元組,sizeof(struct b)=12。

其實如果就這乙個就來說它已將滿足位元組對齊了,因為它的起始位址是0,因此肯定是對齊的,之所以在後面補充2個位元組,是因為編譯器為了實現結構陣列的訪問效率,試想如果我們定義了乙個結構b的陣列,那麼第乙個結構起始位址是0沒有問題,但是第二個結構呢?按照陣列的定義,陣列中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結構的大小補充為4的整數倍,那麼下一 個結構的起始位址將是0x0000a,這顯然不能滿足結構的位址對齊了,因此我們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍。其實諸如:對於char型資料,其 自身對齊值為1,對於short型為2,對於int、float、double型別,其自身對齊值為4,這些已有型別的自身對齊值也是基於陣列考慮的,只是因為這些型別的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了。

《例項二》

#pragma pack (2) /*指定按2位元組對齊*/ 

struct

c  ;  

#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復預設對齊*/

第 乙個變數b的自身對齊值為1,指定對齊值為2,所以,其有效對齊值為1,假設c從0x0000開始,那麼b存放在0x0000,符合0x0000%1= 0;第二個變數,自身對齊值為4,指定對齊值為2,所以有效對齊值為2,所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續 位元組中,符合0x0002%2=0。第三個變數c的自身對齊值為2,所以有效對齊值為2,順序存放在0x0006、0x0007中,符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節存放的是c的變數。又結構體c的自身對齊值為4,所以c的有效對齊值為2。又8%2=0,c 只占用0x0000到0x0007的八個位元組。所以sizeof(struct c)=8.

五.如何修改編譯器的預設對齊值?

1.在vc ide中,可以這樣修改:[project]|[settings],c/c++選項卡category的code generation選項的struct member alignment中修改,預設是8位元組。

2.在編碼時,可以這樣動態修改:#pragma pack (vaule).注意:是pragma而不是progma.

(2)結構體每個成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)都是該成員有效對齊值的整數倍。如有需要,編譯器會在成員之間加上中間填充位元組。

(3)結構體中的復合成員相對於結構體首位址的偏移量(offset)是該復合成員有效對齊值的整數倍。如有需要,編譯器會在成員之間加上中間填充位元組。

(3)最後對結構體進行圓整操作,結構體總大小為結構體有效對齊值(其成員變數自身對齊值以及復合成員結構體中的自身對齊值中最大的那個值)的整數倍,如有需要,編譯器會在最末乙個成員之後加上末尾填充位元組來進行圓整,。

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