数据对齐

数据对齐详解
一、数据对齐的原因
大部分的参考资料都是如是说的：
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：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。

原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

二、对齐规则
每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。

程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16 来改变这一系数，其中的n 就是你要指定的“对齐系数”。

规则1：
数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset 为0 的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack 指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

规则2：
结构(或联合)的整体对齐规则：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。

规则3：
结合1、2 颗推断：当#pragma pack 的n 值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n 值的大小将不产生任何效果。

三、试验
我们通过一系列例子的详细说明来证明这个规则吧!
我试验用的编译器包括GCC 3.4.2 和VC6.0 的C 编译器，平台为Windows XP + Sp2。

我们将用典型的struct 对齐来说明。

首先我们定义一个struct：
#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t
{
int a;
char b;
short c;
char d;
};
#pragma pack(n)
首先我们首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为：sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4
我们的试验过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后察看sizeof(struct test_t)的值。

1、1 字节对齐(#pragma pack(1))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 8 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 1 按1 对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */ char b; /* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ short c; /* 长度2 > 1 按1 对齐；起始offset=5 5%1=0；存放位置区间[5,6] */ char d; /* 长度1 = 1 按1 对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7] */ };
#pragma pack()
成员总大小=8
2) 整体对齐
整体对齐系数= min((max(int,short,char), 1) = 1
整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 8 /* 8%1=0 */ [注1] 2、2 字节对齐(#pragma pack(2))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 10 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* 长度4 > 2 按2 对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */ char b; /* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ short c; /* 长度2 = 2 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */ char d; /* 长度1 < 2 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */ };
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数= min((max(int,short,char), 2) = 2
整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 10 /* 10%2=0 */
3、4 字节对齐(#pragma pack(4))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* 长度4 = 4 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */
char b; /* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ short c; /* 长度2 < 4 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */ char d; /* 长度1 < 4 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */ };
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数= min((max(int,short,char), 4) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */ 4、8 字节对齐(#pragma pack(8))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 8 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */ char b; /* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ short c; /* 长度2 < 8 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */ char d; /* 长度1 < 8 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */ };
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数= min((max(int,short,char), 8) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */ 5、16 字节对齐(#pragma pack(16))
输出结果：sizeof(struct test_t) = 12 [两个编译器输出一致]
分析过程：
1) 成员数据对齐
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* 长度4 < 16 按4 对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */ char b; /* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */ short c; /* 长度2 < 16 按2 对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */ char d; /* 长度1 < 16 按1 对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8] */ };
#pragma pack()
成员总大小=9
2) 整体对齐
整体对齐系数= min((max(int,short,char), 16) = 4
整体大小(size)=$(成员总大小) 按$(整体对齐系数) 圆整= 12 /* 12%4=0 */
四、结论
8 字节和16 字节对齐试验证明了“规则”的第3 点：“当#pragma pack 的n 值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n 值的大小将不产生任何效果”。

另外内存对齐是个很复杂的东西，上面所说的在有些时候也可能不正确。

呵呵^_^
[注1]
什么是“圆整”？
举例说明：如上面的8 字节对齐中的“整体对齐”，整体大小=9 按4 圆整= 12
圆整的过程：从9 开始每次加一，看是否能被4 整除，这里9，10，11 均不能被4 整除，到12 时可以，则圆整结束。

程序校验(环境VC++6.0)
int main()
{
int a;char b;short c;char d;//ox0012ff1c ox0012ff18 ox0012ff14 ox0012ff10
printf("ox%08x ",&a);
printf("ox%08x ",&b);
printf("ox%08x ",&c);
printf("ox%08x\n",&d);
}
此页面可以通过在dev_c++4.9.9.2运行,并通过小量的更改在其他IDE下运行.
摘要：
本文描述了内存对齐的各种概念和内存管理的其他知识点, 应用相应的程序示例
进行解释.
备注:
本文资料收集于网络并通过作者整理. 此篇不考虑继承和虚函数虚表问题. 此类问题分析详见下个版本.
what and why
什么是字节对齐,为什么要对齐?
现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始, 但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问, 这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列, 而不是顺序的一个接一个的排放,这就是对齐.
对齐的作用和原因?
各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同. 一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取. 比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误, 那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况, 但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对齐数据存放进行对齐, 会在存取效率上带来损失. 比如有些平台每次读都是从偶地址开始, 如果一个int型( 假设为32位系统)如果存放在偶地址开始的地方, 那么一个读周期就可以读出这32bit, 而如果存放在奇地址开始的地方, 就需要2个读周期, 并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据.显然在读取效率上下降很多.
4个重要概念
1.数据类型自身的对齐值：
对于char型数据, 其自身对齐值为1; 对于short型为2; 对于int, float, double类型, 其自身对齐值为4单位字节.
2.结构体或者类的自身对齐值：
其成员中自身对齐值最大的那个值.
3.指定对齐值：
#pragma pack (value)时的指定对齐值value.
4.数据成员, 结构体和类的有效对齐值：
自身对齐值和指定对齐值中小的那个值.
有效对齐值拓展
有效对齐值n是最终用来决定数据存放地址方式的值. 有效对齐n, 就是表示对齐在n 上,也就是说该数据的" 存放起始地址% n = 0 ". 而数据结构中的数据变量都是按定义的
先后顺序来排放的. 第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址. 结构体的成员变量要对齐排放, 结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整( 就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数倍, 结合下面例子理解).
#endif
#include<iostream>
using std::cout;
using std::endl;
void newSet();
void newSet_P();
typedef struct
{
int id; //4：[0] (3)
double weight; //8：[7].....[15]原则１
float height; //4：[16]..[19],总长要为８的整数倍,补齐[20]...[23]原则３
}ZX;
typedef struct
{
char name[2]; //2：[0],[1]
int id; //4：[4]...[7]原则１
double score; //8：[8] (15)
short grade; //2：[16],[17]
ZX b; //24：[24]......[47]原则２}ZX_1;
int main()
{
ZX_1 a;
cout << sizeof( ZX_1 ) << " " << sizeof( ZX ) << endl;
cout << "改变顺序的对比:" << endl;
newSet();
cout << "利用编译指令#pragma pack( value )进行对比:" << endl;
newSet_P();
system( "pause" );
return 0;
#if 0
输出为：sizeof( ZX_1 ) = 48, sizeof(ZX) = 24
调整数据成员的结构就改变了结构的sizeof( value );
例如：把ZX中的double weight;提到int id;前面的话就得到sizeof(ZX) = 16；#endif
}
void newSet()
{
typedef struct
{
int a;
char b;
short c;
}NEW_1;
typedef struct
{
char b;
int a;
short c;
}NEW_2;
typedef struct
{
int a;
char b;
short c;
}NEW_0;
struct
{
short c;
char b;
int a;
}NEW_3;
cout << sizeof( NEW_1 ) << endl;
cout << sizeof( NEW_2 ) << endl;
cout << sizeof( NEW_3 ) << endl;
}
void newSet_P()
{
#pragma pack( 1 )
typedef struct
{
int a;
char b;
short c;
}NEW_1;
typedef struct
{
char b;
int a;
short c;
}NEW_2;
typedef struct
{
int a;
char b;
short c;
}NEW_0;
struct
{
short c;
char b;
int a;
}NEW_3;
cout << sizeof( NEW_1 ) << endl;
cout << sizeof( NEW_2 ) << endl;
cout << sizeof( NEW_3 ) << endl;
#pragma pack()
}
#if 0
计算sizeof( value )必需遵循的原则
数据成员对齐规则：
结构(struct)(或联合(union))的数据成员, 第一个数据成员放在offset为0的地方, 以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始.( 如int在32位机为4字节, 则要从4的整数倍地址开始存储)结构体作为成员对齐规则:
如果一个结构里有某些结构体成员, 则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储. (struct a里存有struct b, b里有char, int , double等元素, 那b应该从8的整数倍开始存储. )
收尾工作:
结构体的总大小即sizeof的结果. 必须是其内部最大成员的整数倍. 不足的要补齐.
在考虑内存对齐时的编程技巧
在编程的时候要考虑节约空间的话, 那么我们只需要假定结构的首地址是0, 然后各个变量按照上面的原则进行排列即可, 基本的原则就是把结构中的变量按照类型大小从小到大声明,尽量减少中间的填补空间. 还有一种就是为了以空间换取时间的效率,我们显示的进行填补空间进行对齐, 比如: 有一种使用空间换时间做法是显式的插入reserved成员struct A
{
char a;
char reserved[3];//使用空间换时间
int b;
}
reserved成员对我们的程序没有什么意义, 它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的, 当然即使不加这个成员通常编译器也会给我们自动填补对齐, 我们自己加上它只是起到显式的提醒作用.
总结
总之, 内存对齐方式就是把数据类型中的数据成员一个一个的排在内存中, 并且按照上面所述的原则就行计算sizeof( type )的值.
补充:
1.对齐方式设置
在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间（自然对齐：结构中对齐要求最严格的作为对齐字节数，对齐要求最严格即占用空间最大的，例如double比int要求严格）。

一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：·使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。

·使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

另外，还有如下的一种方式：
·__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，按照实际占用字节数进行对齐。

2.计算偏移-offsetof宏
定义
#define offsetof(s,m) (size_t)&(((s *)0)->m)
s是一个结构名，它有一个名为m的成员（s和m 是宏offsetof的形参，它实际是返回结构s的成员m的偏移地址.
(s *)0 是骗编译器说有一个指向类（或结构）s的指针，其地址值0
&((s *)0)->m 是要取得类s中成员变量m的地址. 因基址为0，这时m的地址当然就是m 在s中的偏移
最后转换size_t 型，即unsigned int。

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER);
分析：
(TYPE *)0,将0 强制转换为TYPE 型指针，记p = (TYPE *)0，p是指向TYPE的指针，它的值是0。

那么p->MEMBER 就是MEMBER 这个元素了，而&(p->MEMBER)就是ME NBER的地址，而基地址为0，这样就巧妙的转化为了TYPE中的偏移量。

再把结果强制转换为size_t型的就OK了，size_t其实也就是int。

typedef __kernel_size_t size_t;
typedef unsigned int __kernel_size_t;
可见，该宏的作用就是求出MEMBER在TYPE中的偏移量。

附个人理解：
#define offsetof(s,m) ((size_t)(&(((s *)0)->m)))
将地址0转换为s类型指针，再取变量m的地址，将该地址转换为size_t类型即为变量m在结构s中的相对偏移。

例子
有例子如：
struct AAA
{
int i;
int j;
};
struct AAA *pAAA;
pAAA = new AAA;
这时，pAAA实际上是一个Pointer, 指向某一确定的内存地址，如0x1234;
而pAAA->i 整体是一个int型变量，其地址是&(pAAA->i), '&'为取址运算符；
那么&(pAAA->i)一定等于0x1234,因i 是结构体AAA的第一个元素。

而&(pAAA->j)一定是0x1234 + 0x4 = 0x1238; 因为sizeof(int) = 4;
这个做法的巧妙之处就是：它把“0”作为上例中的pAAA,那么&(pAAA->j)就是j的offset啦，
解析结果是：
(s*)0,将0 强制转换为Pointer to "s"
可以记pS = (s*)0，pS是指向s的指针，它的值是0;
那么pS->m就是m这个元素了，而&(pS->m)就是m的地址，就是offset啦。