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内存对齐的规则以及作用

Posted on 2009-03-16 09:36 蜗牛先生 阅读(44829) 评论(19)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++

       首先由一个程序引入话题:

 1 //环境:vc6 + windows sp2
 2 //程序1
 3 #include <iostream>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 struct st1 
 8 {
 9     char a ;
10     int  b ;
11     short c ;
12 };
13 
14 struct st2
15 {
16     short c ;
17     char  a ;
18     int   b ;
19 };
20 
21 int main()
22 {
23     cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
24     cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
25     return 0 ;
26 }
27 

程序的输出结果为:

 sizeof(st1) is 12

        sizeof(st2) is 8

 

问题出来了,这两个一样的结构体,为什么sizeof的时候大小不一样呢?

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

 

内存对齐,正是因为内存对齐的影响,导致结果不同。

对于大多数的程序员来说,内存对齐基本上是透明的,这是编译器该干的活,编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上,从而导致了相同的变量,不同声明顺序的结构体大小的不同。

 

       那么编译器为什么要进行内存对齐呢?程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)sizeof(st2)结果都应该是74(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后,结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前,先来看下内存对齐的规则:

1、  对于结构的各个成员,第一个成员位于偏移为0的位置,以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、  在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。

 

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则

St1 char占一个字节,起始偏移为0 int 4个字节,min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) = 4VC6默认8字节对齐),所以int4字节对齐,起始偏移必须为4的倍数,所以起始偏移为4,在char后编译器会添加3个字节的额外字节,不存放任意数据。short2个字节,按2字节对齐,起始偏移为8,正好是2的倍数,无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束,此时的内存状态为:

oxxx|oooo|oo


0123 4567 89 (地址)

x表示额外添加的字节)

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行,st1结构中最大数据成员长度为int,占4字节,而默认的#pragma pack 指定的值为8,所以结果本身按照4字节对齐,结构总大小必须为4的倍数,需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为:

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab  (地址)

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

 

St2 的对齐方法和st1相同,读者可自己完成。

 

内存对齐的主要作用是:

1、  平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。

2、  性能原因:经过内存对齐后,CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

 

图一:

这是普通程序员心目中的内存印象,由一个个的字节组成,而CPU并不是这么看待的。

 

图二:


CPU把内存当成是一块一块的,块的大小可以是24816字节大小,因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity(粒度) 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

 

假设CPU要读取一个int4字节大小的数据到寄存器中,分两种情况讨论:

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

 

再次假设内存读取粒度为4

 

图三:

当该数据是从0字节开始时,很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节开始时,问题变的有些复杂,此时该int型数据不是位于内存读取边界上,这就是一类内存未对齐的数据。

 

图四:

 

此时CPU先访问一次内存,读取0—3字节的数据进寄存器,并再次读取4—5字节的数据进寄存器,接着把0字节和678字节的数据剔除,最后合并1234字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作,大大降低了CPU性能。

    这还属于乐观情况了,上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因,因为以上操作只有有部分CPU肯干,其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

 

图片来自:Data alignment: Straighten up and fly right

如大家对内存对齐对性能的具体影响情况,可以参考上文。



Feedback

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2009-11-09 22:32 by fynn
(⊙v⊙)嗯,终于有点开窍了,呵呵

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2010-04-21 17:26 by jamshulo
恩,很谢谢您的写作,明白了不少东西。

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2010-06-18 22:38 by yond
谢谢,最近在看这个,从这里才看明白了

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2010-10-20 18:17 by 谢谢
看了好几遍,总算看懂了,谢谢分享。

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2010-10-26 16:34 by don
非常感谢!

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2011-07-19 11:34 by 敬相少爷
应该是剔除0字节和5,6,7字节,不是6,7,8字节

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2011-09-16 10:52 by 游客
谢谢楼主分享啊,说的这么仔细!

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2011-10-03 13:03 by 杨捷
谢谢 终于明白了?

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2012-04-06 20:32 by linrulei
非常感谢啊,终于看懂了,下午看了头都大了,也没明白为什么……

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2012-05-28 15:42 by caicai
St2为什么不说下呢,如果按你上面提到的原则应该是 00 0 0000 X(X为补全字节),而实际中我测试的是 00 00 0000. 能解释一下么,3ks

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2012-05-29 09:46 by caicai
@caicai
2了

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2012-07-22 17:01 by dirver
楼主说的很详细,看完之后终于理解了。

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2012-08-02 18:33 by tww
因为int是4字节,所以起始地址要为4的倍数,所以char之后要补X...实际应该为00 0x 0000@caicai

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2012-11-20 22:26 by wow
假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中,分两种情况讨论:
1、数据从0字节开始
2、数据从1字节开始
看了博主的假设内存颗粒为4的时候,读取内存时指针应是4的倍数啊,所以应该有数据从2字节,3字节开始的可能性,对从2字节开始的数据,首先指针指向0地址读取4字节到数据寄存器a,然后指向4地址读取4字节到数据寄存器b,最后剔除a中的0,1字节,b中的后2个字节,最后数据合并到数据寄存器c,这个思路是对的不,博主?

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2013-06-03 23:35 by 碧海一波
多谢,受益了。

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2014-02-15 21:45 by ano
清晰明了,感谢。

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2016-06-07 17:57 by 芜蘅
@caicai
St2 应该是 00 0x 0000。前两个0是short,char 1字节对齐,无需补,int 4字节对齐,前面只有三个0,因此补一位x,整体是4字节的倍数,因此就是00 0x 0000

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2016-08-17 20:35 by 素存
非常感谢,看了这篇文章终于弄懂了,感谢

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