2005年八月月 发布的文章

也谈内存对齐

在最近的项目中,我们涉及到了“内存对齐”技术。对于大部分程序员来说,“内存对齐”对他们来说都应该是“透明的”。“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。但是C语言的一个特点就是太灵活,太强大,它允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密,“内存对齐”对你就不应该再透明了。

一、内存对齐的原因
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。
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。
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。

相关文章:
1. 也谈内存对齐(续)
2. 三谈内存对齐-背后的故事
3. 四谈内存对齐

走马观花ANSI C标准-类型

类型(type)

1、类型分为:
   a) object type — types that fully describe objects
   b) function type — types that describe functions
   c) uncomplete type — types that describe objects but lack information needed to determine their sizes,如void

2、在C99中加入了布尔类型_Bool,其定义为大小足够容纳0和1的类型。检查一下手头的编译器发现GCC 3.4.3支持_Bool,而Microsoft C/C++  Version 12.00.8168(VC6.0)则不支持。

3、char类型被定义为:大小足以容纳任何一个“basic execution charactor set”中的字符。如果任何一个“basic execution charactor set”中的字符存储在一个char中,它的值可以保证为“positive”;其他字符存储在一个char中,其值要根据具体的实现定义了。

4、标准定义了5个有符号整型:signed char, short int, int, long int, and long long int。当然各个不同的实现可以定义自己的扩展有符号整型。我们常说的有符号整型指的是标准的和扩展的统称。一个signed char占用的内存空间和一个"plain" char相同。一个"plain" int拥有执行环境架构建议的“自然大小”。区间在[INT_MIN, INT_MAX](in limits.h)

5、每一个标准定义的有符号整型都对应着一个unsigned int type, 它们称为标准无符号整型。它们占据的内存空间与有符号整型相同。和有符号整型一样,各个不同的实现定义了相关的扩展无符号整型。它们放在一起统称为“无符号整型”。

6、标准定义了3个“浮点实型”,分别为:float , double , long double。float的值的范围是double值范围的子集,同样double的值的范围是long double值范围的子集。

7、char type, signed int和unsigned int types, float type被统称为"basic types"。枚举是一个整型常量的集合。char type, signed int和unsigned int types和枚举统称为integer types。integer types和real floating types统称为"real types"。

8、void是个典型的uncomplete type,而且不能被completed;一个没有指定size的数组类型也是uncomplete type,但是却可以被completed。

9、到目前为止,以上提到都是"unqualified type", 每个"unqualified type"都有若干个qualified type. 通过与几个qualifiers : const、volatile、restrict的组合即可。

如发现本站页面被黑,比如:挂载广告、挖矿等恶意代码,请朋友们及时联系我。十分感谢! 图片广告位1 图片广告位2 图片广告位3 商务合作请联系bigwhite.cn AT aliyun.com

欢迎使用邮件订阅我的博客

输入邮箱订阅本站,只要有新文章发布,就会第一时间发送邮件通知你哦!

这里是 Tony Bai的个人Blog,欢迎访问、订阅和留言! 订阅Feed请点击上面图片

如果您觉得这里的文章对您有帮助,请扫描上方二维码进行捐赠 ,加油后的Tony Bai将会为您呈现更多精彩的文章,谢谢!

如果您希望通过微信捐赠,请用微信客户端扫描下方赞赏码:

如果您希望通过比特币或以太币捐赠,可以扫描下方二维码:

比特币:

以太币:

如果您喜欢通过微信浏览本站内容,可以扫描下方二维码,订阅本站官方微信订阅号“iamtonybai”;点击二维码,可直达本人官方微博主页^_^:
本站Powered by Digital Ocean VPS。
选择Digital Ocean VPS主机,即可获得10美元现金充值,可 免费使用两个月哟! 著名主机提供商Linode 10$优惠码:linode10,在 这里注册即可免费获 得。阿里云推荐码: 1WFZ0V立享9折!


View Tony Bai's profile on LinkedIn

文章

评论

  • 正在加载...

分类

标签

归档



View My Stats