位元組對齊詳解

2022-08-03 12:27:13 字數 4950 閱讀 4618

structa;

structb;

sizeof( a)=6, sizeof( b)=8,為什麼?

注:sizeof(short)=2,sizeof(long)=4

因為:「成員對齊有乙個重要的條件,即每個成員按自己的方式對齊。其對齊的規則是,每個成員按其型別的對齊引數(通常是這個型別的大小)和指定對齊引數(這裡預設是8位元組)中較小的乙個對齊。並且結構的長度必須為所用過的所有對齊引數的整數倍,不夠就補空位元組。」(引用)

結構體a中有3個short型別變數,各自以2位元組對齊,結構體對齊引數按預設的8位元組對齊,則a1,a2,a3都取2位元組對齊,則sizeof(a)為6,其也是2的整數倍;

b中a1為4位元組對齊,a2為2位元組對齊,結構體預設對齊引數為8,則a1取4位元組對齊,a2取2位元組對齊,結構體大小6位元組,6不為4的整數倍,補空位元組,增到8時,符合所有條件,則sizeof(b)為8;

可以設定成對齊的

#pragma pack(1)

#pragma pack(push)

#pragma pack(1)

structa;

structb;

#pragma pack(pop)      

結果為sizeof( a)=6,sizeof( b)=6

************************

#pragma pack(8)

struct s1;

struct s2 ;

#pragma pack()

sizeof(s2)結果為24.

成員對齊有乙個重要的條件,即每個成員分別對齊,即每個成員按自己的方式對齊。

也就是說上面雖然指定了按8位元組對齊,但並不是所有的成員都是以8位元組對齊。其對齊的規則是,每個成員按其型別的對齊引數(通常是這個型別的大小)和指定對齊引數(這裡是8位元組)中較小的乙個對齊。並且結構的長度必須為所用過的所有對齊引數的整數倍,不夠就補空位元組。

s1中,成員a是1位元組預設按1位元組對齊,指定對齊引數為8,這兩個值中取1,a按1位元組對齊;成員b是4個位元組,預設是按4位元組對齊,這時就按4位元組對齊,所以sizeof(s1)應該為8;

s2 中,c和s1中的a一樣,按1位元組對齊,而d 是個結構,它是8個位元組,它按什麼對齊呢?對於結構來說,它的預設對齊方式就是它的所有成員使用的對齊引數中最大的乙個,s1的就是4.所以,成員d就是按4位元組對齊。成員e是8個位元組,它是預設按8位元組對齊,和指定的一樣,所以它對到8位元組的邊界上,這時,已經使用了12個位元組了,所以又新增了4個位元組的空,從第16個位元組開始放置成員e。這時,長度為24,已經可以被8(成員e按8位元組對齊)整除.這樣, 一共使用了24個位元組。

a      b

s1的記憶體布局:1***, 1111,

c      s1.a    s1.b          e

s2的記憶體布局:1***, 1***,   1111, ****11111111

這裡有三點很重要:

1.每個成員分別按自己的方式對齊,並能最小化長度

2.複雜型別(如結構)的預設對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是複雜型別時,可以最小化長度

3.對齊後的長度必須是成員中最大的對齊引數的整數倍,這樣在處理陣列時可以保證每一項都邊界對齊

補充一下,對於陣列,比如:

char a[3];這種,它的對齊方式和分別寫3個char是一樣的。也就是說它還是按1個位元組對齊。

如果寫: typedef char array3[3];

array3這種型別的對齊方式還是按1個位元組對齊,而不是按它的長度。

不論型別是什麼,對齊的邊界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的乙個。

/***********************/

位元組對齊詳解

為什麼要對齊?

現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的,從理論上講似乎對任何型別的變數的訪問可以從任何位址開始,但實際情況是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。

對齊的作用和原因: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。其他平台可能沒有這種情況,但是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。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數 據。顯然在讀取效率上下降很多。

二。位元組對齊對程式的影響:

先讓我們看幾個例子吧(32bit,x86環境,gcc編譯器):

設結構體如下定義:

struct a

;struct b

;現在已知32位機器上各種資料型別的長度如下:

char:1(有符號無符號同)    

short:2(有符號無符號同)    

int:4(有符號無符號同)    

long:4(有符號無符號同)    

float:4    double:8

那麼上面兩個結構大小如何呢?

結果是:

sizeof(strcut a)值為8

sizeof(struct b)的值卻是12

結構體a中包含了4位元組長度的int乙個,1位元組長度的char乙個和2位元組長度的short型資料乙個,b也一樣;按理說a,b大小應該都是7位元組。

之所以出現上面的結果是因為編譯器要對資料成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的預設設定進行對齊的結果,那麼我們是不是可以改變編譯器的這種預設對齊設定呢,當然可以。例如:

#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*/

sizeof(struct c)值是8。

修改對齊值為1:

#pragma pack (1) /*指定按1位元組對齊*/

struct d

;#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復預設對齊*/

sizeof(struct d)值為7。

後面我們再講解#pragma pack()的作用。

三。編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?

先讓我們看四個重要的基本概念:

1.資料型別自身的對齊值: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,單位位元組。

2.結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。

3.指定對齊值:#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

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。

有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體資料結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值n是最終用來決定資料存放位址方式的值,最重要。有效對齊n,就是 表示「對齊在n上」,也就是說該資料的「存放起始位址%n=0」。而資料結構中的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(就是結構體成員變數占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數倍,結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。

例子分析:

分析例子b:

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的自身對齊值為其變數中最大對齊值(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。

同理,分析上面例子c:

#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。

位元組對齊詳解

現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的,從理論上講似乎對任何型別的變數的訪問可以從任何位址開始,但實際情況是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。對齊的作用和原因 各個硬體平台對儲存空間的...

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