Posted on 2009-03-16 09:36
蝸牛先生 閱讀(45299)
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C++
首先由一個程序引入話題：
1 //環境：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
程序的輸出結果為：
sizeof(st1) is 12
sizeof(st2) is 8
問題出來了，這兩個一樣的結構體，為什么sizeof的時候大小不一樣呢？
本文的主要目的就是解釋明白這一問題。
內存對齊，正是因為內存對齊的影響，導致結果不同。
對于大多數的程序員來說，內存對齊基本上是透明的，這是編譯器該干的活，編譯器為程序中的每個數據單元安排在合適的位置上，從而導致了相同的變量，不同聲明順序的結構體大小的不同。
那么編譯器為什么要進行內存對齊呢？程序1中結構體按常理來理解sizeof(st1)和sizeof(st2)結果都應該是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。經過內存對齊后，結構體的空間反而增大了。
在解釋內存對齊的作用前，先來看下內存對齊的規則：
1、
對于結構的各個成員，第一個成員位于偏移為0的位置，以后每個數據成員的偏移量必須是min(#pragma pack()指定的數，這個數據成員的自身長度) 的倍數。
2、
在數據成員完成各自對齊之后，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行。
#pragma pack(n) 表示設置為n字節對齊。 VC6默認8字節對齊
以程序1為例解釋對齊的規則 ：
St1 ：char占一個字節，起始偏移為0 ，int 占4個字節，min(#pragma
pack()指定的數，這個數據成員的自身長度) = 4（VC6默認8字節對齊），所以int按4字節對齊，起始偏移必須為4的倍數，所以起始偏移為4，在char后編譯器會添加3個字節的額外字節，不存放任意數據。short占2個字節，按2字節對齊，起始偏移為8，正好是2的倍數，無須添加額外字節。到此規則1的數據成員對齊結束，此時的內存狀態為：
oxxx|oooo|oo
0123 4567 89 （地址）
（x表示額外添加的字節）
共占10個字節。還要繼續進行結構本身的對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行，st1結構中最大數據成員長度為int，占4字節，而默認的#pragma pack 指定的值為8，所以結果本身按照4字節對齊，結構總大小必須為4的倍數，需添加2個額外字節使結構的總大小為12 。此時的內存狀態為：
oxxx|oooo|ooxx
0123 4567 89ab （地址）
到此內存對齊結束。St1占用了12個字節而非7個字節。
St2 的對齊方法和st1相同，讀者可自己完成。
內存對齊的主要作用是：
1、
平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常。
2、
性能原因：經過內存對齊后，CPU的內存訪問速度大大提升。具體原因稍后解釋。
圖一：
這是普通程序員心目中的內存印象，由一個個的字節組成，而CPU并不是這么看待的。
圖二：
CPU把內存當成是一塊一塊的，塊的大小可以是2，4，8，16字節大小，因此CPU在讀取內存時是一塊一塊進行讀取的。塊大小成為memory access
granularity（粒度） 本人把它翻譯為“內存讀取粒度”
。
假設CPU要讀取一個int型4字節大小的數據到寄存器中，分兩種情況討論：
1、數據從0字節開始
2、數據從1字節開始
再次假設內存讀取粒度為4。
圖三：
當該數據是從0字節開始時，很CPU只需讀取內存一次即可把這4字節的數據完全讀取到寄存器中。
當該數據是從1字節開始時，問題變的有些復雜，此時該int型數據不是位于內存讀取邊界上，這就是一類內存未對齊的數據。
圖四：
此時CPU先訪問一次內存，讀取0—3字節的數據進寄存器，并再次讀取4—5字節的數據進寄存器，接著把0字節和6，7，8字節的數據剔除，最后合并1，2，3，4字節的數據進寄存器。對一個內存未對齊的數據進行了這么多額外的操作，大大降低了CPU性能。
這還屬于樂觀情況了，上文提到內存對齊的作用之一為平臺的移植原因，因為以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未對齊邊界就直接罷工了。
圖片來自：Data alignment: Straighten up and fly right
如大家對內存對齊對性能的具體影響情況，可以參考上文。