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內(nèi)存對齊問題 | | | 什么是內(nèi)存對齊
考慮下面的結(jié)構(gòu)：
struct foo
{ char c1;
short s;
char c2;
int i;
}; |
假設(shè)這個結(jié)構(gòu)的成員在內(nèi)存中是緊湊排列的，假設(shè)c1的地址是0，那么s的地址就應(yīng)該是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是:
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。
可是，我們在Visual c/c++ 6中寫一個簡單的程序：
struct foo a;
printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
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運(yùn)行，輸出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
為什么會這樣？這就是內(nèi)存對齊而導(dǎo)致的問題。
為什么會有內(nèi)存對齊
以下內(nèi)容節(jié)選自《Intel Architecture 32 Manual》。
字，雙字，和四字在自然邊界上不需要在內(nèi)存中對齊。（對字，雙字，和四字來說，自然邊界分別是偶數(shù)地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
無論如何，為了提高程序的性能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（尤其是棧）應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；然而，對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
一個字或雙字操作數(shù)跨越了4字節(jié)邊界，或者一個四字操作數(shù)跨越了8字節(jié)邊界，被認(rèn)為是未對齊的，從而需要兩次總線周期來訪問內(nèi)存。一個字起始地址是奇數(shù)但卻沒有跨越字邊界被認(rèn)為是對齊的，能夠在一個總線周期中被訪問。
某些操作雙四字的指令需要內(nèi)存操作數(shù)在自然邊界上對齊。如果操作數(shù)沒有對齊，這些指令將會產(chǎn)生一個通用保護(hù)異常（#GP）。雙四字的自然邊界是能夠被16整除的地址。其他的操作雙四字的指令允許未對齊的訪問（不會產(chǎn)生通用保護(hù)異常），然而，需要額外的內(nèi)存總線周期來訪問內(nèi)存中未對齊的數(shù)據(jù)。
編譯器對內(nèi)存對齊的處理
缺省情況下，c/c++編譯器默認(rèn)將結(jié)構(gòu)、棧中的成員數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存對齊。因此，上面的程序輸出就變成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
編譯器將未對齊的成員向后移，將每一個都成員對齊到自然邊界上，從而也導(dǎo)致了整個結(jié)構(gòu)的尺寸變大。盡管會犧牲一點(diǎn)空間（成員之間有空洞），但提高了性能。
也正是這個原因，我們不可以斷言sizeof(foo) == 8。在這個例子中，sizeof(foo) == 12。
如何避免內(nèi)存對齊的影響
那么，能不能既達(dá)到提高性能的目的，又能節(jié)約一點(diǎn)空間呢？有一點(diǎn)小技巧可以使用。比如我們可以將上面的結(jié)構(gòu)改成：
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
}; |
這樣一來，每個成員都對齊在其自然邊界上，從而避免了編譯器自動對齊。在這個例子中，sizeof(bar) == 8。
這個技巧有一個重要的作用，尤其是這個結(jié)構(gòu)作為API的一部分提供給第三方開發(fā)使用的時候。第三方開發(fā)者可能將編譯器的默認(rèn)對齊選項(xiàng)改變，從而造成這個結(jié)構(gòu)在你的發(fā)行的DLL中使用某種對齊方式，而在第三方開發(fā)者哪里卻使用另外一種對齊方式。這將會導(dǎo)致重大問題。
比如，foo結(jié)構(gòu)，我們的DLL使用默認(rèn)對齊選項(xiàng)，對齊為:
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同時sizeof(foo) == 12。
而第三方將對齊選項(xiàng)關(guān)閉，導(dǎo)致:
c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同時sizeof(foo) == 8。
如何使用c/c++中的對齊選項(xiàng)
vc6中的編譯選項(xiàng)有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字節(jié)邊界對齊，相應(yīng)的，/Zpn表示以n字節(jié)邊界對齊。n字節(jié)邊界對齊的意思是說，一個成員的地址必須安排在成員的尺寸的整數(shù)倍地址上或者是n的整數(shù)倍地址上，取它們中的最小值。也就是：
min ( sizeof ( member ), n)
實(shí)際上，1字節(jié)邊界對齊也就表示了結(jié)構(gòu)成員之間沒有空洞。
/Zpn選項(xiàng)是應(yīng)用于整個工程的，影響所有的參與編譯的結(jié)構(gòu)。
要使用這個選項(xiàng)，可以在vc6中打開工程屬性頁，c/c++頁，選擇Code Generation分類，在Struct member alignment可以選擇。
要專門針對某些結(jié)構(gòu)定義使用對齊選項(xiàng)，可以使用#pragma pack編譯指令。指令語法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n )
意義和/Zpn選項(xiàng)相同。比如：
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack() |
棧內(nèi)存對齊
我們可以觀察到，在vc6中棧的對齊方式不受結(jié)構(gòu)成員對齊選項(xiàng)的影響。（本來就是兩碼事）。它總是保持對齊，而且對齊在4字節(jié)邊界上。
驗(yàn)證代碼
#include <stdio.h>
struct foo
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
struct bar
{
char c1;
char c2;
short s;
int i;
};
#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
};
#pragma pack()
int main(int argc, char* argv[])
{
char c1;
short s;
char c2;
int i;
struct foo a;
struct bar b;
struct foo_pack p;
printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
(unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);
printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
(unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
(unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);
printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
(unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
(unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);
printf("sizeof foo is %d\n", sizeof(foo));
printf("sizeof bar is %d\n", sizeof(bar));
printf("sizeof foo_pack is %d\n", sizeof(foo_pack));
return 0;
} |
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