Posted on 2009-03-16 09:36
蜗牛先生 阅读(45054)
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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)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(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 占4个字节，min(#pragma
pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) = 4（VC6默认8字节对齐），所以int按4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。short占2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2，4，8，16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
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6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4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。