內存對齊問題 | | | 什么是內存對齊
考慮下面的結構：
struct foo
{ char c1;
short s;
char c2;
int i;
}; |
假設這個結構的成員在內存中是緊湊排列的，假設c1的地址是0，那么s的地址就應該是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是:
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。
可是，我們在Visual c/c++ 6中寫一個簡單的程序：
struct foo a;
printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
|
運行，輸出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
為什么會這樣？這就是內存對齊而導致的問題。
為什么會有內存對齊
以下內容節選自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，雙字，和四字在自然邊界上不需要在內存中對齊。（對字，雙字，和四字來說，自然邊界分別是偶數地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
無論如何，為了提高程序的性能，數據結構（尤其是棧）應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；然而，對齊的內存訪問僅需要一次訪問。
一個字或雙字操作數跨越了4字節邊界，或者一個四字操作數跨越了8字節邊界，被認為是未對齊的，從而需要兩次總線周期來訪問內存。一個字起始地址是奇數但卻沒有跨越字邊界被認為是對齊的，能夠在一個總線周期中被訪問。
某些操作雙四字的指令需要內存操作數在自然邊界上對齊。如果操作數沒有對齊，這些指令將會產生一個通用保護異常（#GP）。雙四字的自然邊界是能夠被16整除的地址。其他的操作雙四字的指令允許未對齊的訪問（不會產生通用保護異常），然而，需要額外的內存總線周期來訪問內存中未對齊的數據。
編譯器對內存對齊的處理
缺省情況下，c/c++編譯器默認將結構、棧中的成員數據進行內存對齊。因此，上面的程序輸出就變成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
編譯器將未對齊的成員向后移，將每一個都成員對齊到自然邊界上，從而也導致了整個結構的尺寸變大。盡管會犧牲一點空間（成員之間有空洞），但提高了性能。
也正是這個原因，我們不可以斷言sizeof(foo) == 8。在這個例子中，sizeof(foo) == 12。
如何避免內存對齊的影響
那么，能不能既達到提高性能的目的，又能節約一點空間呢？有一點小技巧可以使用。比如我們可以將上面的結構改成：
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
}; |
這樣一來，每個成員都對齊在其自然邊界上，從而避免了編譯器自動對齊。在這個例子中，sizeof(bar) == 8。
這個技巧有一個重要的作用，尤其是這個結構作為API的一部分提供給第三方開發使用的時候。第三方開發者可能將編譯器的默認對齊選項改變，從而造成這個結構在你的發行的DLL中使用某種對齊方式，而在第三方開發者哪里卻使用另外一種對齊方式。這將會導致重大問題。
比如，foo結構，我們的DLL使用默認對齊選項，對齊為:
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同時sizeof(foo) == 12。
而第三方將對齊選項關閉，導致:
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同時sizeof(foo) == 8。
如何使用c/c++中的對齊選項
vc6中的編譯選項有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字節邊界對齊，相應的，/Zpn表示以n字節邊界對齊。n字節邊界對齊的意思是說，一個成員的地址必須安排在成員的尺寸的整數倍地址上或者是n的整數倍地址上，取它們中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
實際上，1字節邊界對齊也就表示了結構成員之間沒有空洞。
/Zpn選項是應用于整個工程的，影響所有的參與編譯的結構。
要使用這個選項，可以在vc6中打開工程屬性頁，c/c++頁，選擇Code Generation分類，在Struct member alignment可以選擇。
要專門針對某些結構定義使用對齊選項，可以使用#pragma pack編譯指令。指令語法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意義和/Zpn選項相同。比如：
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack() |
棧內存對齊
我們可以觀察到，在vc6中棧的對齊方式不受結構成員對齊選項的影響。（本來就是兩碼事）。它總是保持對齊，而且對齊在4字節邊界上。
驗證代碼
#include <stdio.h>
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
int main(int argc, char* argv[])
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
struct foo a;
struct bar b;
struct foo_pack p;
printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);
printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);
printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);
printf("sizeof foo is %d\n", sizeof(foo));
printf("sizeof bar is %d\n", sizeof(bar));
printf("sizeof foo_pack is %d\n", sizeof(foo_pack));
return 0;
} |
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