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C語言 內存中結構體字節對齊

編輯:關於C語言

一、字節對齊作用和原因:
對齊的作用和原因:各個硬件平台對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。比如有些架構的CPU在訪問一個沒有進行對齊的變量的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下編程必須保證字節對齊,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數據存放進行對齊,會在存取效率上帶來損失。比如有些平台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這32bit,而如果存放在奇地址開始的地方,就需要2個讀周期,並對兩次讀出的結果的高低字節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、字節對齊規則:
四個重要的概念:
  1.數據類型自身的對齊值:對於char型的數據,其自身對齊值為1,對於short型為2,對於int,float,double類型,其自身對齊值為4個字節。
  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)時指定的對齊value。
  4.數據成員、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。
補充:
1).每個成員分別按自己的方式對齊,並能最小化長度。
 2).復雜類型(如結構)的默認對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是復雜類型時,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參數的整數倍,這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊。

#pragma pack(1) 
struct test 

static int a; //static var 
double m4; 
char m1; 
int m3; 

#pragma pack() 
//sizeof(test)=13; 
 
Class test1{ }; 
//sizeof(test1)=1; 
 
/* 注明: 
1、結構或者類中的靜態成員不對結構或者類的大小產生影響,因為靜態變量的存儲位置與結構或者類的實例地址無關; 
2、沒有成員變量的結構或類的大小為1,因為必須保證結構或類的每一個實例在內存中都有唯一的地址。*/ 

#pragma pack(1) 
struct test 

static int a; //static var 
double m4; 
char m1; 
int m3; 

#pragma pack() 
//sizeof(test)=13; 
 
Class test1{ }; 
//sizeof(test1)=1; 
 
/* 注明:
1、結構或者類中的靜態成員不對結構或者類的大小產生影響,因為靜態變量的存儲位置與結構或者類的實例地址無關;
2、沒有成員變量的結構或類的大小為1,因為必須保證結構或類的每一個實例在內存中都有唯一的地址。*/ 
 示例:

//分析下面的例子C: 
// 
#pragma pack (2)     /*指定按2字節對齊*/ 
struct C 

  char b; 
  int a; 
  short c; 
}; 
#pragma pack () //恢復對齊狀態 
/* 
第一個變量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; 
第二個變量,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、0x0005四個連續的字節空間中,符合0x0002%2=0。 
第三個變量c的自身對齊值為2,所以有效對齊值為2,順序在0x0006、0x0007中,符合0x0006%2=0。 
所以從0x0000到0x0007共八字節存放的是struct C的變量。又struct C的自身對齊值為4,所以struct C的有效對齊值為2。 
又8%2=0,struct C只占用0x0000到0x0007的八個字節。所以sizeof(struct C)=8。 
如果把上面的#pragma pack(2)改為#pragma pack(4),那麼我們可以得到結構的大小為12。 
*/ 



//再看下面這個例子 
// 
#pragma pack(8) 
struct S1 

  char a; 
  long b; 
}; 
struct S2 { 
  char c; 
  struct S1 d; 
  long long e; 
}; 
#pragma pack() 
 
sizeof(S2)結果為24. 
/* 
S1中: 
成員a是1字節默認按1字節對齊,指定對齊參數為8,這兩個值中取1,a按1字節對齊; 
成員b是4個字節,默認是按4字節對齊,這時就按4字節對齊,所以sizeof(S1)應該為8; 
 
S2 中: 
c和S1中的a一樣,按1字節對齊, 
d 是個結構,它是8個字節,它按什麼對齊呢?對於結構來說,它的默認對齊方式就是它的所有成員使用的對齊參數中最大的一個,S1的就是4.所以,成員d就是按4字節對齊. 
成員e是8個字節,它是默認按8字節對齊,和指定的一樣,所以它對到8字節的邊界上,這時,已經使用了12個字節了,所以又添加了4個字節的空,從第16個字節開始放置成員e; 
長度為24,已經可以被8(成員e按8字節對齊)整除.一共使用了24個字節. 
a b 
S1的內存布局:11**,1111, 
c S1.a S1.b d 
S2的內存布局:1***,11**,1111,****11111111 
*/ 


//再看下面這個例子 
// 
#pragma pack(8) 
struct S1 

  char a; 
  long b; 
}; 
struct S2 { 
  char c; 
  struct S1 d; 
  long long e; 
}; 
#pragma pack() 
 
sizeof(S2)結果為24. 
/*
S1中:
成員a是1字節默認按1字節對齊,指定對齊參數為8,這兩個值中取1,a按1字節對齊;
成員b是4個字節,默認是按4字節對齊,這時就按4字節對齊,所以sizeof(S1)應該為8;
 
S2 中:
c和S1中的a一樣,按1字節對齊,
d 是個結構,它是8個字節,它按什麼對齊呢?對於結構來說,它的默認對齊方式就是它的所有成員使用的對齊參數中最大的一個,S1的就是4.所以,成員d就是按4字節對齊.
成員e是8個字節,它是默認按8字節對齊,和指定的一樣,所以它對到8字節的邊界上,這時,已經使用了12個字節了,所以又添加了4個字節的空,從第16個字節開始放置成員e;
長度為24,已經可以被8(成員e按8字節對齊)整除.一共使用了24個字節.
a b
S1的內存布局:11**,1111,
c S1.a S1.b d
S2的內存布局:1***,11**,1111,****11111111
*/ 
  
三、針對字節對齊,我們在編程中如何考慮?
  如果在編程的時候要考慮節約空間的話,那麼我們只需要假定結構的首地址是0, 然後各個變量按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結構中的變量按照類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補空間。還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做法是顯式的插入reserved成員:
struct A
{
  char a;
  char reserved[3];    //使用空間換時間
  int b;
};
reserved成員對我們的程序沒有什麼意義,它只是起到填補空間以達到字節對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它只是起到顯示的提醒作用。
 四、字節對齊可能帶來的隱患
  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 = 0x12345678;
  unsigned char *p = NULL;
  unsigned short *p1 = NULL;
  p=&i;
  *p=0x00;
  p1=(unsigned short*)(p+1);
  *p1=0x0000;
  最後兩行代碼,從奇數邊界去訪問unsigned short型變量,顯然不符合對齊的規定。在X86上,類似的操作只會影響效率,但是在MIPS或者sparc上,可能就是一個error,因為它們要求字節必須對齊。
 五、如何查找與字節對齊方面的問題
  如果出現對齊或者賦值問題首先查看
  1.編譯器設置的對齊值
  2.看這種體系本身是否支持非對齊訪問
  3.如果支持看設置了對齊與否,如果沒有則看訪問時需要加某些特殊的修飾來標志其特殊訪問操作。

摘自 專注於嵌入式

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