1.內(nèi)存對齊的初步講授

內(nèi)存對齊可以用1句話來概括：

例如int類型占用4個字節(jié)，地址只能在0，4，8等位置上。

例1：

#include <stdio.h>
struct xx{
        char b;
        int a;
        int c;
        char d;
};

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p ", &bb.a);
        printf("&b = %p ", &bb.b);
        printf("&c = %p ", &bb.c);
        printf("&d = %p ", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d ", sizeof(struct xx));

        return 0;
}

履行結(jié)果以下：

&a = ffbff5ec
&b = ffbff5e8
&c = ffbff5f0
&d = ffbff5f4
sizeof(xx) = 16

會發(fā)現(xiàn)b與a之間空出了3個字節(jié)，也就是說在b以后的0xffbff5e9,0xffbff5ea,0xffbff5eb空了出來，a直接存儲在了0xffbff5ec， 由于a的大小是4，只能存儲在4個整數(shù)倍的位置上。打印xx的大小會發(fā)現(xiàn)，是16，有些人可能要問，b以后空出了3個字節(jié)，那也應(yīng)當(dāng)是13啊？其余的3個 呢？這個往后瀏覽本文會理解的更深入1點，這里簡單說1下就是d后邊的3個字節(jié)，也會浪費掉，也就是說，這3個字節(jié)也被這個結(jié)構(gòu)體占用了.

可以簡單的修改結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)，來下降內(nèi)存的使用，例如可以將結(jié)構(gòu)體定義為：
struct xx{
        char b; 
        char d;
        int a;          
        int c;                  
};

這樣打印這個結(jié)構(gòu)體的大小就是12，省了很多空間，可以看出，在定義結(jié)構(gòu)體的時候，1定要斟酌要內(nèi)存對齊的影響，這樣能使我們的程序占用更小的內(nèi)存。

2.操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)

每 個操作系統(tǒng)都有自己的默許內(nèi)存對齊系數(shù)，如果是新版本的操作系統(tǒng)，默許對齊系數(shù)1般都是8，由于操作系統(tǒng)定義的最大類型存儲單元就是8個字節(jié)，例如 long long（為何1定要這樣，在第3節(jié)會講授），不存在超過8個字節(jié)的類型（例如int是4，char是1，long在32位編譯時是4，64位編譯時是 8）。當(dāng)操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)與第1節(jié)所講的內(nèi)存對齊的理論產(chǎn)生沖突時，以操作系統(tǒng)的對齊系數(shù)為基準(zhǔn)。

例如：

假定操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)是4，那末對與long long這個類型的變量就不滿足第1節(jié)所說的，也就是說long long這類結(jié)構(gòu)，可以存儲在被4整除的位置上，也能夠存儲在被8整除的位置上。

可以通過#pragma pack()語句修改操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)，編寫程序的時候不建議修改默許對齊系數(shù)，在第3節(jié)會講授緣由

例2：

#include <stdio.h>
#pragma pack(4)
struct xx{
        char b;
        long long a;
        int c;
        char d;
};
#pragma pack()

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p ", &bb.a);
        printf("&b = %p ", &bb.b);
        printf("&c = %p ", &bb.c);
        printf("&d = %p ", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d ", sizeof(struct xx));

        return 0;
}
打印結(jié)果為：

&a = ffbff5e4
&b = ffbff5e0
&c = ffbff5ec
&d = ffbff5f0
sizeof(xx) = 20

發(fā)現(xiàn)占用8個字節(jié)的a，存儲在了不能被8整除的位置上，存儲在了被4整除的位置上，采取了操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)。

3.內(nèi)存對齊產(chǎn)生的緣由

 

內(nèi)存對齊是操作系統(tǒng)為了快速訪問內(nèi)存而采取的1種策略，簡單來講，就是為了放置變量的2次訪問。操作系統(tǒng)在訪問內(nèi)存 時，每次讀取1定的長度（這個長度就是操作系統(tǒng)的默許對齊系數(shù)，或是默許對齊系數(shù)的整數(shù)倍）。如果沒有內(nèi)存對齊時，為了讀取1個變量是，會產(chǎn)生總線的2 次訪問。

例如假定沒有內(nèi)存對齊，結(jié)構(gòu)體xx的變量位置會出現(xiàn)以下情況：

struct xx{
        char b;         //0xffbff5e8
        int a;            //0xffbff5e9       
        int c;             //0xffbff5ed      
        char d;         //0xffbff5f1
};

操作系統(tǒng)先讀取0xffbff5e8-0xffbff5ef的內(nèi)存，然后在讀取0xffbff5f0-0xffbff5f8的內(nèi)存，為了取得值c，就需要將兩組內(nèi)存合并，進(jìn)行整合，這樣嚴(yán)重下降了內(nèi)存的訪問效力。（這就觸及到了陳詞濫調(diào)的問題，空間和效力哪一個更重要？這里不做討論）。

這樣大家就可以理解為何結(jié)構(gòu)體的第1個變量，不管類型如何，都是能被8整除的吧（由于訪問內(nèi)存是從8的整數(shù)倍開始的，為了增加讀取的效力）！

內(nèi)存對齊的問題主要存在于理解struct等復(fù)合結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的散布。

首先要明白內(nèi)存對齊的概念。
許多實際的計算機(jī)系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中寄存的位置有限制，它們會要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)k(通常它為4或8)的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊。

這個k在不同的cpu平臺下，不同的編譯器下表現(xiàn)也有所不同。比如32位字長的計算機(jī)與16位字長的計算機(jī)。這個離我們有些遠(yuǎn)了。我們的開發(fā)主要觸及兩大平臺，windows和linux（unix），觸及的編譯器也主要是microsoft編譯器(如cl),和gcc。

內(nèi)存對齊的目的是使各個基本數(shù)據(jù)類型的首地址為對應(yīng)k的倍數(shù)，這是理解內(nèi)存對齊方式的終極寶貝。另外還要辨別編譯器的分別。明白了這兩點基本上就可以弄定所有內(nèi)存對齊方面的問題。

不同編譯器中的k：
1、對microsoft的編譯器，每種基本類型的大小即為這個k。大體上char類型為8，int為32，long為32，double為64。
2、對linux下的gcc編譯器，規(guī)定大小小于等于2的，k值為其大小，大于等于4的為4。

明白了以上的說明對struct等復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)存散布就應(yīng)當(dāng)很清楚了。

下面看1下最簡單的1個類型：struct中成員都為基本數(shù)據(jù)類型，例如：
struct test1
{
char a;
short b;
int c;
long d;
double e;
};

在windows平臺，microsoft編譯器下：

假定從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可使任意位置，所以a占用第1個字節(jié)，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數(shù)，不能是1，所以地址1那個字節(jié)被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數(shù)，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，他的k值為8，首地址為8的倍數(shù)，所以地址12，13，14，15被填充，他的首地址應(yīng)為16，占用地址16⑵3。明顯其大小為24。

這就是 test1在內(nèi)存中的散布情況。我們建立1個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址順次打印出內(nèi)存中每一個字節(jié)對應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

驗證：
明顯推斷是正確的。

在linux平臺，gcc編譯器下：
假定從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可使任意位置，所以a占用第1個字節(jié)，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數(shù)，不能是1，所以地址1那個字節(jié)被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數(shù)，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，從這里開始與microsoft的編譯器開始有所差異，他的k值為不是8，依然是4，所以其首地址是12，占用地址12⑴9。明顯其大小為20。

驗證：
我們建立1個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址順次打印出內(nèi)存中每一個字節(jié)對應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

明顯推斷也是正確的。

接下來，看1看幾類特殊的情況，為了不麻煩，不再描寫內(nèi)存散布，只計算結(jié)構(gòu)大小。

第1種：嵌套的結(jié)構(gòu)
struct test2
{
char f;
struct test1 g;
};

在windows平臺，microsoft編譯器下：

這類情況下如果把test2的第2個成員拆開來，研究內(nèi)存散布，那末可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內(nèi)存散布不變，依然滿足所有基本數(shù)據(jù)成員的首地址都為其對應(yīng)k的倍數(shù)這1原則，那末test2的大小就還是24了。但是實際上test2的大小為32，這是由于：不能由于test2的結(jié)構(gòu)而改變test1的內(nèi)存散布情況，所以為了使test1種各個成員依然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充1定數(shù)量的字節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，這個數(shù)量應(yīng)為7個，才能保證test1的對齊。所以test2相對test1來講增加了8個字節(jié)，所以test2的大小為32。

在linux平臺，gcc編譯器下：

一樣，這類情況下如果把test2的第2個成員拆開來，研究內(nèi)存散布，那末可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內(nèi)存散布不變，依然滿足所有基本數(shù)據(jù)成員的首地址都為其對應(yīng)k的倍數(shù)這1原則，那末test2的大小就還是20了。但是實際上test2的大小為24，一樣這是由于：不能由于test2的結(jié)構(gòu)而改變test1的內(nèi)存散布情況，所以為了使test1種各個成員依然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充1定數(shù)量的字節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，這個數(shù)量應(yīng)為3個，才能保證test1的對齊。所以test2相對test1來講增加了4個字節(jié)，所以test2的大小為24。

第2種：位段對齊

struct test3
{
unsigned int a:4;
unsigned int b:4;
char c;
};
或
struct test3
{
unsigned int a:4;
int b:4;
char c;
};

在windows平臺，microsoft編譯器下：

相鄰的多個同類型的數(shù)(帶符號的與不帶符號的，只要基本類型相同，也為相同的數(shù)),如果他們占用的位數(shù)不超過基本類型的大小，那末他們可作為1個整體來看待。不同類型的數(shù)要遵守各自的對齊方式。
如：test3中，a、b可作為1個整體，他們作為1個int型數(shù)據(jù)來看待，所以test3的大小為8字節(jié)。并且a與b的值在內(nèi)存中從低位開始順次排列，位于4字節(jié)區(qū)域中的前0⑶位和4⑺位

如果test4位以下格式
struct test4
{
unsigned int a:30;
unsigned int b:4;
char c;
};
那末test4的大小就為12個字節(jié)，并且a與b的值分別散布在第1個4字節(jié)的前30位，和第2個4字節(jié)的前4位。

如過test5是以下情勢
struct test5
{
unsigned int a:4;
unsigned char b:4;
char c;
};

那末由于int和char不同類型，他們分別以各自的方式對齊，所以test5的大小應(yīng)為8字節(jié)，a與b的值分別位于第1個4字節(jié)的前4位和第5個字節(jié)的前4位。

在linux平臺，gcc編譯器下：

struct test3
{
unsigned int a:4;
unsigned int b:4;
char c;
};
gcc下，相鄰各成員，不管類型是不是相同，占的位數(shù)之和超過這些成員中第1個的大小的時候，在結(jié)構(gòu)中以k值為1對齊，在結(jié)構(gòu)外k值為其基本類型的值。不超過的情況下在內(nèi)存中順次排列。
如test3，其大小為4。a，b的值在內(nèi)存中順次排列分別為第1個4字節(jié)中的0⑶和4⑺位。

如果test4位以下格式
struct test4
{
unsigned int a:20;
unsigned char b:4;
char c;
};
test4的大小為4個字節(jié)，并且a與b的值分別散布在第1個4字節(jié)的0⑴9位，和20⑵3位，c寄存在第4個字節(jié)中。
如過test5是以下情勢
struct test5
{
unsigned int a:10;
unsigned char b:4;
short c;
};

那末test5的大小應(yīng)為4字節(jié)，a，b的值為0⑼位和10⑴3位。c寄存在后兩個字節(jié)中。如果a的大小變成了20
那末test5的大小應(yīng)為8字節(jié)。即

struct test6
{
unsigned int a:20;
unsigned char b:4;
short c;
};

此時，test6的a、b共占用0，1，2共3字節(jié)，c的k值為2，其實可以4位首位置，但是在結(jié)構(gòu)外，a要以int的方式對齊。也就是說連續(xù)兩個test6對象在內(nèi)存中寄存的話，a的首位置要保證為4的倍數(shù)，那末c后面必須多填充2位。所以test6的大小為8個字節(jié)。

關(guān)于位段結(jié)構(gòu)的部份是比較復(fù)雜的。暫時我就知道這么多。

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