C 中的位元組對齊

2021-10-19 04:17:59 字數 2397 閱讀 9883

一、位元組對齊的定義

計算機在訪問特定型別變數的時候經常在特定的記憶體位址訪問,這就需要各種型別資料按照一定的規則在空間上排列,而不是順序的乙個接乙個的排放,這就是對齊。

二、對齊的作用和原因

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。各個硬體平台對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定型別的資料只能從某些特定位址開始訪問。比如有些架構的cpu在訪問乙個沒有進行對齊的變數的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下程式設計必須保證位元組對齊。

2、效能原因:最常見的是如果不按照適合其平台要求對資料存放進行對齊,會在訪問效率上帶來損失。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。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)如果存放在偶位址開始的地方,那麼乙個讀週期就可以讀出這32bit,而如果存放在奇位址開始的地方,就需要2個讀週期,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。顯然在讀取效率上下降很多。

三、位元組對齊的規則

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),一般來講,在32位機器上,預設對齊數是4位元組, 64位機器上預設對齊數是8位元組. 我們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」。

注意,以下例子在64位os下

規則一、 結構體中每個資料成員在結構體中的起始位置,應該是 min(這個資料成員的位元組數, 對齊係數)。比如,下面的兩個例子:

例一:

struct exmp

;

在例一中,cha a佔乙個位元組,起始位置從0開始, int c 佔4個位元組,但它的起始位置不能從1,開始,而是從4開始,double  b 佔8個位元組,從位置8開始,這三個資料成員共占用4+4+8=16個位元組

例二:

struct exmp

;//sizeof (struct exmp) = 8 + 8 + 4 + 4 = 24

在例二中, char a 占用乙個位元組,位置從0開始,double b佔8個位元組位置從8開始,位置1~7填充佔位符,int c 從 16開始,佔4位元組,這裡要注意,在確定完,各個資料成員的起始位置和所佔位元組後,整個結構體的大小,還應該做一些調整,以遵守如下規則:

規則二整個結構體的大小,應該是min(其最長資料成員所佔位元組, 對齊係數)的整數倍。 例二中,三個資料成員所佔的位元組是8 + 8 + 4 = 20, 20並不是最長資料成員(double b)所佔位元組數(8 byte)的整數倍,所以末尾再加四位元組湊成24。

例三:

#pragma pack(2)

struct exmp

;// sizeof(struct exmp) = 2 + 8 + 4 = 14

在例三中,指定了對齊係數是2, char a佔乙個位元組,仍然從0開始,double 佔8個位元組,但起始位置從min (8,2)= 2位置開始,int c佔4位元組,起始位置從min(4,2)= 2的整數倍位置10開始,size = 2+8+4 = 14,在這種情況下,整個結構體的大小需要是(對齊係數=2,最大資料成員所佔位元組double b=8)= 2的整數倍

規則三:如果有巢狀結構體,那麼內嵌結構體的第乙個成員變數在外結構體中的偏移量,是「min(對齊位元組,內嵌結構體中那個資料型別大小最大的成員變數)」的倍數。

例四:

struct test 

ch; char ci;

};// sizeof(struct test) = 40

例四中,int a 佔4位元組,char b,c佔一位元組,後面填充兩個位元組,int d起始位置8,佔四個位元組,char e,佔乙個位元組,起始位置12, 結構體 child 中的乙個資料成員的起始位置=min(最長資料成員所佔位元組 long long g =8, 對齊係數=8)= 8的整數倍,所以 char e 後填充3位元組,int f從16開始,f後填充4位元組,long long f 從24開始,char ci,占用1位元組,填充7位元組

總結:位元組對齊,就是要解決兩件事兒:

1. 當前資料成員從哪個偏移位置開始,這個起始位置取決於min(這個資料成員的位元組數, 對齊係數)

2. 當前資料成員後需要填充多少位元組,取決於下乙個資料成員的起始位置。當 當前資料成員為結構體中最後乙個資料成員時,則填充位元組數取決於規則二

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