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http://www.jb51.net/article/44221.htm

2013

一.內(nèi)存對齊的初步講解

內(nèi)存對齊可以用一句話來概括：

“數(shù)據(jù)項(xiàng)只能存儲在地址是數(shù)據(jù)項(xiàng)大小的整數(shù)倍的內(nèi)存位置上”

例如int類型占用4個字節(jié)，地址只能在0，4，8等位置上。

例1：

執(zhí)行結(jié)果如下：

會發(fā)現(xiàn)b與a之間空出了3個字節(jié)，也就是說在b之后的0xffbff5e9,0xffbff5ea,0xffbff5eb空了出來，a直接存儲在了0xffbff5ec， 因?yàn)閍的大小是4，只能存儲在4個整數(shù)倍的位置上。打印xx的大小會發(fā)現(xiàn)，是16，有些人可能要問，b之后空出了3個字節(jié)，那也應(yīng)該是13??？其余的3個 呢？這個往后閱讀本文會理解的更深入一點(diǎn)，這里簡單說一下就是d后邊的3個字節(jié)，也會浪費(fèi)掉，也就是說，這3個字節(jié)也被這個結(jié)構(gòu)體占用了.

可以簡單的修改結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)，來降低內(nèi)存的使用，例如可以將結(jié)構(gòu)體定義為：

這樣打印這個結(jié)構(gòu)體的大小就是12，省了很多空間，可以看出，在定義結(jié)構(gòu)體的時(shí)候，一定要考慮要內(nèi)存對齊的影響，這樣能使我們的程序占用更小的內(nèi)存。

二.操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)

每 個操作系統(tǒng)都有自己的默認(rèn)內(nèi)存對齊系數(shù)，如果是新版本的操作系統(tǒng)，默認(rèn)對齊系數(shù)一般都是8，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)定義的最大類型存儲單元就是8個字節(jié)，例如 long long（為什么一定要這樣，在第三節(jié)會講解），不存在超過8個字節(jié)的類型（例如int是4，char是1，long在32位編譯時(shí)是4，64位編譯時(shí)是 8）。當(dāng)操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)與第一節(jié)所講的內(nèi)存對齊的理論產(chǎn)生沖突時(shí)，以操作系統(tǒng)的對齊系數(shù)為基準(zhǔn)。

例如：

假設(shè)操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)是4，那么對與long long這個類型的變量就不滿足第一節(jié)所說的，也就是說long long這種結(jié)構(gòu)，可以存儲在被4整除的位置上，也可以存儲在被8整除的位置上。

可以通過#pragma pack()語句修改操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)，編寫程序的時(shí)候不建議修改默認(rèn)對齊系數(shù)，在第三節(jié)會講解原因

例2：

打印結(jié)果為：

發(fā)現(xiàn)占用8個字節(jié)的a，存儲在了不能被8整除的位置上，存儲在了被4整除的位置上，采取了操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)。

三.內(nèi)存對齊產(chǎn)生的原因

內(nèi)存對齊是操作系統(tǒng)為了快速訪問內(nèi)存而采取的一種策略，簡單來說，就是為了放置變量的二次訪問。操作系統(tǒng)在訪問內(nèi)存 時(shí)，每次讀取一定的長度（這個長度就是操作系統(tǒng)的默認(rèn)對齊系數(shù)，或者是默認(rèn)對齊系數(shù)的整數(shù)倍）。如果沒有內(nèi)存對齊時(shí)，為了讀取一個變量是，會產(chǎn)生總線的二 次訪問。

例如假設(shè)沒有內(nèi)存對齊，結(jié)構(gòu)體xx的變量位置會出現(xiàn)如下情況：

操作系統(tǒng)先讀取0xffbff5e8-0xffbff5ef的內(nèi)存，然后在讀取0xffbff5f0-0xffbff5f8的內(nèi)存，為了獲得值c，就需要將兩組內(nèi)存合并，進(jìn)行整合，這樣嚴(yán)重降低了內(nèi)存的訪問效率。（這就涉及到了老生常談的問題，空間和效率哪個更重要？這里不做討論）。

這樣大家就能理解為什么結(jié)構(gòu)體的第一個變量，不管類型如何，都是能被8整除的吧（因?yàn)樵L問內(nèi)存是從8的整數(shù)倍開始的，為了增加讀取的效率）！

內(nèi)存對齊的問題主要存在于理解struct等復(fù)合結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的分布。

首先要明白內(nèi)存對齊的概念。
許多實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)k(通常它為4或8)的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊。

這個k在不同的cpu平臺下，不同的編譯器下表現(xiàn)也有所不同。比如32位字長的計(jì)算機(jī)與16位字長的計(jì)算機(jī)。這個離我們有些遠(yuǎn)了。我們的開發(fā)主要涉及兩大平臺，windows和linux（unix），涉及的編譯器也主要是microsoft編譯器(如cl),和gcc。

內(nèi)存對齊的目的是使各個基本數(shù)據(jù)類型的首地址為對應(yīng)k的倍數(shù)，這是理解內(nèi)存對齊方式的終極法寶。另外還要區(qū)分編譯器的分別。明白了這兩點(diǎn)基本上就能搞定所有內(nèi)存對齊方面的問題。

不同編譯器中的k：
1、對于microsoft的編譯器，每種基本類型的大小即為這個k。大體上char類型為8，int為32，long為32，double為64。
2、對于linux下的gcc編譯器，規(guī)定大小小于等于2的，k值為其大小，大于等于4的為4。

明白了以上的說明對struct等復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)存分布就應(yīng)該很清楚了。

下面看一下最簡單的一個類型：struct中成員都為基本數(shù)據(jù)類型，例如：

在windows平臺，microsoft編譯器下：

假設(shè)從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一個字節(jié)，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數(shù)，不能是1，所以地址1那個字節(jié)被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數(shù)，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，他的k值為8，首地址為8的倍數(shù)，所以地址12，13，14，15被填充，他的首地址應(yīng)為16，占用地址16-23。顯然其大小為24。

這就是 test1在內(nèi)存中的分布情況。我們建立一個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址依次打印出內(nèi)存中每個字節(jié)對應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

驗(yàn)證：
顯然推斷是正確的。

在linux平臺，gcc編譯器下：
假設(shè)從0地址開始，首先a的k值為1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一個字節(jié)，即地址0；然后b的k值為2，他的首地址必須是2的倍數(shù)，不能是1，所以地址1那個字節(jié)被填充，b首地址為地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值為4，他的首地址為4的倍數(shù)，所以首地址為4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也為4，所以他的首地址為8，占用地址8，9，10，11。最后到e，從這里開始與microsoft的編譯器開始有所差異，他的k值為不是8，仍然是4，所以其首地址是12，占用地址12-19。顯然其大小為20。

驗(yàn)證：
我們建立一個test1類型的變量，a、b、c、d、e分別賦值2、4、8、16、32。然后從低地址依次打印出內(nèi)存中每個字節(jié)對應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)為：
2 0 4 0 8 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 40 40

顯然推斷也是正確的。

接下來，看一看幾類特殊的情況，為了避免麻煩，不再描述內(nèi)存分布，只計(jì)算結(jié)構(gòu)大小。

第一種：嵌套的結(jié)構(gòu)

在windows平臺，microsoft編譯器下：

這種情況下如果把test2的第二個成員拆開來，研究內(nèi)存分布，那么可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內(nèi)存分布不變，仍然滿足所有基本數(shù)據(jù)成員的首地址都為其對應(yīng)k的倍數(shù)這一原則，那么test2的大小就還是24了。但是實(shí)際上test2的大小為32，這是因?yàn)椋翰荒芤驗(yàn)閠est2的結(jié)構(gòu)而改變test1的內(nèi)存分布情況，所以為了使test1種各個成員仍然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充一定數(shù)量的字節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，這個數(shù)量應(yīng)為7個，才能保證test1的對齊。所以test2相對于test1來說增加了8個字節(jié)，所以test2的大小為32。

在linux平臺，gcc編譯器下：

同樣，這種情況下如果把test2的第二個成員拆開來，研究內(nèi)存分布，那么可以知道，test2的成員f占用地址0，g.a占用地址1，以后的內(nèi)存分布不變，仍然滿足所有基本數(shù)據(jù)成員的首地址都為其對應(yīng)k的倍數(shù)這一原則，那么test2的大小就還是20了。但是實(shí)際上test2的大小為24，同樣這是因?yàn)椋翰荒芤驗(yàn)閠est2的結(jié)構(gòu)而改變test1的內(nèi)存分布情況，所以為了使test1種各個成員仍然滿足對齊的要求，f成員后面需要填充一定數(shù)量的字節(jié)，不難發(fā)現(xiàn)，這個數(shù)量應(yīng)為3個，才能保證test1的對齊。所以test2相對于test1來說增加了4個字節(jié)，所以test2的大小為24。

第二種：位段對齊

或者

在windows平臺，microsoft編譯器下：

相鄰的多個同類型的數(shù)(帶符號的與不帶符號的，只要基本類型相同，也為相同的數(shù)),如果他們占用的位數(shù)不超過基本類型的大小，那么他們可作為一個整體來看待。不同類型的數(shù)要遵循各自的對齊方式。
如：test3中，a、b可作為一個整體，他們作為一個int型數(shù)據(jù)來看待，所以test3的大小為8字節(jié)。并且a與b的值在內(nèi)存中從低位開始依次排列，位于4字節(jié)區(qū)域中的前0-3位和4-7位

如果test4位以下格式

那么test4的大小就為12個字節(jié)，并且a與b的值分別分布在第一個4字節(jié)的前30位，和第二個4字節(jié)的前4位。

如過test5是以下形式

那么由于int和char不同類型，他們分別以各自的方式對齊，所以test5的大小應(yīng)為8字節(jié)，a與b的值分別位于第一個4字節(jié)的前4位和第5個字節(jié)的前4位。

在linux平臺，gcc編譯器下：

gcc下，相鄰各成員，不管類型是否相同，占的位數(shù)之和超過這些成員中第一個的大小的時(shí)候，在結(jié)構(gòu)中以k值為1對齊，在結(jié)構(gòu)外k值為其基本類型的值。不超過的情況下在內(nèi)存中依次排列。
如test3，其大小為4。a，b的值在內(nèi)存中依次排列分別為第一個四字節(jié)中的0-3和4-7位。

如果test4位以下格式

test4的大小為4個字節(jié)，并且a與b的值分別分布在第一個4字節(jié)的0-19位，和20-23位，c存放在第4個字節(jié)中。
如過test5是以下形式

那么test5的大小應(yīng)為4字節(jié)，a，b的值為0-9位和10-13位。c存放在后兩個字節(jié)中。如果a的大小變成了20
那么test5的大小應(yīng)為8字節(jié)。即

此時(shí)，test6的a、b共占用0，1，2共3字節(jié)，c的k值為2，其實(shí)可以4位首位置，但是在結(jié)構(gòu)外，a要以int的方式對齊。也就是說連續(xù)兩個test6對象在內(nèi)存中存放的話，a的首位置要保證為4的倍數(shù)，那么c后面必須多填充2位。所以test6的大小為8個字節(jié)。

關(guān)于位段結(jié)構(gòu)的部分是比較復(fù)雜的。暫時(shí)我就知道這么多。