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字節(jié)對(duì)齊

一、什么是對(duì)齊，以及為什么要對(duì)齊：
1. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對(duì)任何類型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開始，但實(shí)際情況是在訪問(wèn)特定變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問(wèn)，這就需要各類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。
2. 對(duì)齊的作用和原因：各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對(duì)某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開始存取。其他平臺(tái)可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺(tái)的要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開始，如果一個(gè)int型（假設(shè)為 32位）如果存放在偶地址開始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會(huì)需要2個(gè)讀周期，并對(duì)兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該int數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時(shí)間的博弈。
二、對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)
通常，我們寫程序的時(shí)候，不需要考慮對(duì)齊問(wèn)題。編譯器會(huì)替我們選擇適合目標(biāo)平臺(tái)的對(duì)齊策略。當(dāng)然，我們也可以通知給編譯器傳遞預(yù)編譯指令而改變對(duì)指定數(shù)據(jù)的對(duì)齊方法。
但是，正因?yàn)槲覀円话悴恍枰P(guān)心這個(gè)問(wèn)題，所以因?yàn)榫庉嬈鲗?duì)數(shù)據(jù)存放做了對(duì)齊，而我們不了解的話，常常會(huì)對(duì)一些問(wèn)題感到迷惑。最常見的就是struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的sizeof結(jié)果，出乎意料。為此，我們需要對(duì)對(duì)齊算法所了解。
對(duì)齊的算法：
由于各個(gè)平臺(tái)和編譯器的不同，現(xiàn)以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器（32位x86平臺(tái)）為例子，來(lái)討論編譯器對(duì)struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各成員如何進(jìn)行對(duì)齊的。
設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義：
struct A {
    int a;
    char b;
    short c;
};
結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長(zhǎng)度的int一個(gè)，1字節(jié)長(zhǎng)度的char一個(gè)和2字節(jié)長(zhǎng)度的short型數(shù)據(jù)一個(gè)。所以A用到的空間應(yīng)該是7字節(jié)。但是因?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。
所以使用sizeof(strcut A)值為8。
現(xiàn)在把該結(jié)構(gòu)體調(diào)整成員變量的順序。
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
這時(shí)候同樣是總共7個(gè)字節(jié)的變量，但是sizeof(struct B)的值卻是12。
下面我們使用預(yù)編譯指令#pragma pack (value)來(lái)告訴編譯器，使用我們指定的對(duì)齊值來(lái)取代缺省的。
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
sizeof(struct C)值是8。

修改對(duì)齊值為1：
#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對(duì)齊*/
struct D {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
sizeof(struct D)值為7。

對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int,float,double類型，其自身對(duì)齊值為4，單位字節(jié)。
這里面有四個(gè)概念值：
1)數(shù)據(jù)類型自身的對(duì)齊值：就是上面交代的基本數(shù)據(jù)類型的自身對(duì)齊值。
2)指定對(duì)齊值：#pragma pack (value)時(shí)的指定對(duì)齊值value。
3)結(jié)構(gòu)體或者類的自身對(duì)齊值：其成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值。
4)數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類的有效對(duì)齊值：自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中較小的那個(gè)值。
有了這些值，我們就可以很方便的來(lái)討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對(duì)齊方式。有效對(duì)齊值N是最終用來(lái)決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對(duì)齊N，就是表示“對(duì)齊在N上”，也就是說(shuō)該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0".而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來(lái)排放的。第一個(gè)數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對(duì)齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對(duì)齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長(zhǎng)度需要是對(duì)結(jié)構(gòu)體有效對(duì)齊值的整數(shù)倍，結(jié)合下面例子理解)。這樣就不難理解上面的幾個(gè)例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
假設(shè)B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對(duì)齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認(rèn)為4。第一個(gè)成員變量b的自身對(duì)齊值是1，比指定或者默認(rèn)指定對(duì)齊值4小，所以其有效對(duì)齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個(gè)成員變量a，其自身對(duì)齊值為4，所以有效對(duì)齊值也為 4，所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中，復(fù)核0x0004%4=0,且緊靠第一個(gè)變量。第三個(gè)變量c,自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個(gè)字節(jié)空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對(duì)齊值為其變量中最大對(duì)齊值(這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節(jié)，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個(gè)字節(jié),sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對(duì)齊*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/
第一個(gè)變量b的自身對(duì)齊值為1，指定對(duì)齊值為2，所以，其有效對(duì)齊值為1，假設(shè)C從0x0000開始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個(gè)變量，自身對(duì)齊值為4，指定對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個(gè)連續(xù) 字節(jié)中，符合0x0002%2=0。第三個(gè)變量c的自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，順序存放
在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對(duì)齊值為4，所以 C的有效對(duì)齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個(gè)字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.

有了以上的解釋，相信你對(duì)C語(yǔ)言的字節(jié)對(duì)齊概念應(yīng)該有了清楚的認(rèn)識(shí)了吧。在網(wǎng)絡(luò)程序中，掌握這個(gè)概念可是很重要的喔，在不同平臺(tái)之間（比如在Windows 和Linux之間）傳遞2進(jìn)制流（比如結(jié)構(gòu)體），那么在這兩個(gè)平臺(tái)間必須要定義相同的對(duì)齊方式，不然莫名其妙的出了一些錯(cuò)，可是很難排查的哦^_^。

posted on 2012-03-04 14:26 多彩人生閱讀(314) 評(píng)論(0) 編輯收藏引用

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