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前言

字节对齐是我们初学C语言就会接触到的一个概念,但是到底什么是字节对齐?对齐准则又是什么?为什么要字节对齐呢?字节对齐对我们编程有什么启示?本文将简单理一理字节对齐的那些事。

什么是字节对齐

计算机中内存大小的基本单位是字节(byte),理论上来讲,可以从任意地址访问某种基本数据类型,但是实际上,计算机并非逐字节大小读写内存,而是以2,4,或8的 倍数的字节块来读写内存,如此一来就会对基本数据类型的合法地址作出一些限制,即它的地址必须是2,4或8的倍数。那么就要求各种数据类型按照一定的规则在空间上排列,这就是对齐。

对齐准则是什么

总的来说,字节对齐有以下准则:

  • 结构体变量的首地址能够被其对齐字节数大小所整除
  • 结构体每个成员相对结构体首地址的偏移都是成员大小的整数倍,如不满足,对前一个成员填充字节以满足。
  • 结构体的总大小为结构体对齐字节数大小的整数倍,如不满足,最后填充字节以满足。

我们通过一个小例子来说明是如何对齐的。
考虑下面的程序

/*================================================================ *   Copyright (C) 2018  Ltd. All rights reserved. *    *   文件名称:testByteAlign.c *   创 建 者:shouwang *   创建日期:2018年09月15日 *   描    述: * ================================================================*/ #include<stdio.h> #include<stdint.h> struct test {     int a;     char b;     int c;     short d; }; int main(int argc,char *argv) {     /*在32位和64位的机器上,size_t的大小不同*/     printf("the size of struct test is %zu\n",sizeof(struct test));     return 0; } 

编译成32位程序并运行(默认四字节自然对齐),可以看到,结构体test 的大小为16字节,而不是11字节(a占4字节,b占1字节,c占4字节,d占2字节)

#64位机器上编译32位程序可能需要安装一个库 #sudo apt-get install gcc-multilib gcc -m32 -o testByteAlign testByteAlign.c #编译程序 chmod +x testByteAlign  #赋执行权限 ./testByteAlign  #运行 the size of struct test is 16 

实际上,结构体test的成员在内存中可能是像下面这样分布的(数值为偏移量)
未对齐时:

0~345~910~11abcd

对齐时:

0~345~78~1112~1314~15ab填充内容cd填充内容

从上面可以看出,c的偏移为5,不满足对齐要求(它的偏移量应该能够被sizeof(int)大小整除),因此在b后面填充了3个字节,使得c的偏移为8。在b后面填充后,d已经满足对齐要求了,为什么最后还要填充字节呢?或者说,为什么需要满足第三条准则呢?
考虑下面的声明

struct teArray[2]; 

我们不难知道,teArray[0]的d如果不填充字节,那么teArray[1]的a偏移为14,不满足对齐要求,因此d后面也需要填充字节。

为什么要字节对齐

无论数据是否对齐,大多数计算机还是能够正确工作,而且从前面可以看到,结构体test本来只需要11字节的空间,最后却占用了16字节,很明显浪费了空间,那么为什么还要进行字节对齐呢?最重要的考虑是提高内存系统性能
前面我们也说到,计算机每次读写一个字节块,例如,假设计算机总是从内存中取8个字节,如果一个double数据的地址对齐成8的倍数,那么一个内存操作就可以读或者写,但是如果这个double数据的地址没有对齐,数据就可能被放在两个8字节块中,那么我们可能需要执行两次内存访问,才能读写完成。显然在这样的情况下,是低效的。所以需要字节对齐来提高内存系统性能。
在有些处理器中,如果需要未对齐的数据,可能不能够正确工作甚至crash,这里我们不多讨论。

实际编程中的考虑

实际上,字节对齐的细节都由编译器来完成,我们不需要特意进行字节的对齐,但并不意味着我们不需要关注字节对齐的问题。

空间存储

还是考虑前面的结构体test,其占用空间大小为16字节,但是如果我们换一种声明方式,调整变量的顺序,重新运行程序,最后发现结构体test占用大小为12字节

struct test {     int a;     char b;     short d;     int c; }; 

空间存储情况如下,b和c存储在了一个字节快中:

0~3456~78~11ab填充内容cd

也就是说,如果我们在设计结构的时候,合理调整成员的位置,可以大大节省存储空间。

跨平台通信

由于不同平台对齐方式可能不同,如此一来,同样的结构在不同的平台其大小可能不同,在无意识的情况下,互相发送的数据可能出现错乱,甚至引发严重的问题。因此,为了不同处理器之间能够正确的处理消息,我们有两种可选的处理方法。

  • 1字节对齐
  • 自己对结构进行字节填充

我们可以使用伪指令#pragma pack(n)(n为字节对齐数)来使得结构间一字节对齐。
同样是前面的程序,如果在结构体test的前面加上伪指令,即如下:

#pragma pack(1) /*1字节对齐*/ struct test {     int a;     char b;     int c;     short d; }; #pragma pack()/*还原默认对齐*/ 

在这样的声明下,任何平台结构体test的大小都为11字节,这样做能够保证跨平台的结构大小一致,同时还节省了空间,但不幸的是,降低了效率。

当然了对于单个结构体,gcc还有如下的方法,使其1字节对齐

struct test {     int a;     char b;     int c;     short d; }__attribute__ ((packed)); 

注:

  • __attribute__((aligned (n))),让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。
  • __attribute__ ((packed)),取消结构在编译过程中的优化对齐,也可以认为是1字节对齐。

除了前面的1字节对齐,还可以进行人为的填充,即test结构体声明如下:

struct test {     int a;     char b;     char reserve[3];     int c;     short d;     char reserve1[2]; }; 

访问效率高,但并不节省空间,同时扩展性不是很好,例如,当字节对齐有变化时,需要填充的字节数可能就会发生变化。

总结

虽然我们不需要具体关心字节对齐的细节,但是如果不关注字节对齐的问题,可能会在编程中遇到难以理解或解决的问题。因此针对字节对齐,总结了以下处理建议:

  • 结构体成员合理安排位置,以节省空间
  • 跨平台数据结构可考虑1字节对齐,节省空间但影响访问效率
  • 跨平台数据结构人为进行字节填充,提高访问效率但不节省空间
  • 本地数据采用默认对齐,以提高访问效率
posted on 2020-01-09 16:54 长戟十三千 阅读(77) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 编程技巧随笔

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