C語言的字節(jié)對(duì)齊

1、C語言的字節(jié)對(duì)齊一.什么是字節(jié)對(duì)齊,為什么要對(duì)齊?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可以從任何地址開始,但實(shí)際情況是在訪問特定類型變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問,這就需要各種類型數(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。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。比如有些架構(gòu)的CPU在訪問一個(gè)沒有進(jìn)行對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤,那么在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對(duì)齊.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)要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)

2、行對(duì)齊,會(huì)在存取效率上帶來損失。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位系統(tǒng)如果存放在偶地址開始的地方,那么一個(gè)讀周期就可以讀出這32bit,而如果存放在奇地址開始的地方,就需要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32bit數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。二.字節(jié)對(duì)齊對(duì)程序的影響:先讓我們看幾個(gè)例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器:設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義:struct A int a; struct B char b;char b; int a;short c; short c;現(xiàn)在已知32位機(jī)器上各種數(shù)據(jù)類型的長度如下:char:1(有符號(hào)無

3、符號(hào)同 short:2(有符號(hào)無符號(hào)同 int:4(有符號(hào)無符號(hào)同long:4(有符號(hào)無符號(hào)同 float:4 double:8那么上面兩個(gè)結(jié)構(gòu)大小如何呢? 結(jié)果是:sizeof(strcut A值為8 sizeof(struct B的值卻是12結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長度的int一個(gè),1字節(jié)長度的char一個(gè)和2字節(jié)長度的short型數(shù)據(jù)一個(gè),B也一樣;按理說A,B大小應(yīng)該都是7字節(jié)。之所以出現(xiàn)上面的結(jié)果是因?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。上面是按照編譯器的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行對(duì)齊的結(jié)果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認(rèn)對(duì)齊設(shè)置呢,當(dāng)然可以.例如:#pragma pack (2 /*指定按

4、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。后面我們?cè)僦v解#pragma pack(的作用.三.編譯器是按照什么樣的原則進(jìn)行對(duì)齊的?先讓我們看四個(gè)重要的基本概念:1.數(shù)據(jù)類型自身的對(duì)齊值:對(duì)于char型數(shù)據(jù),其自身對(duì)齊值為1,

5、對(duì)于short型為2,對(duì)于int,float,double類型,其自身對(duì)齊值為4.2.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。3.指定對(duì)齊值:#pragma pack (value時(shí)的指定對(duì)齊值value。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)齊值中小的那個(gè)值。有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體數(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排放的。第一個(gè)數(shù)據(jù)變量的起始地

6、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。這樣就不能理解上面的幾個(gè)例子的值了。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

7、0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中,符合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;其實(shí)

8、如果就這一個(gè)就來說它已將滿足字節(jié)對(duì)齊了, 因?yàn)樗钠鹗嫉刂肥?,因此肯定是對(duì)齊的,之所以在后面補(bǔ)充2個(gè)字節(jié),是因?yàn)榫幾g器為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)B的數(shù)組,那么第一個(gè)結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個(gè)結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結(jié)構(gòu)的大小補(bǔ)充為4的整數(shù)倍,那么下一個(gè)結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對(duì)齊了,因此我們要把結(jié)構(gòu)補(bǔ)充成有效對(duì)齊大小的整數(shù)倍.其實(shí)諸如: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,這些已有類型的自身對(duì)齊值也是

9、基于數(shù)組考慮的,只是因?yàn)檫@些類型的長度已知了,所以他們的自身對(duì)齊值也就已知了.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%

10、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=8.四.如何修改編譯器的默認(rèn)對(duì)齊值?1.在VC IDE中,可以這樣修改:Project|Settings,c/c+選項(xiàng)卡Category的Code Generation選項(xiàng)的Struct Member Alignment中修改,默認(rèn)是8字節(jié)。2.在編碼時(shí),可以這樣動(dòng)態(tài)修

11、改:#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.五.針對(duì)字節(jié)對(duì)齊,我們?cè)诰幊讨腥绾慰紤]?如果在編程的時(shí)候要考慮節(jié)約空間的話,那么我們只需要假定結(jié)構(gòu)的首地址是0,然后各個(gè)變量按照上面的原則進(jìn)行排列即可,基本的原則就是把結(jié)構(gòu)中的變量按照類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補(bǔ)空間.還有一種就是為了以空間換取時(shí)間的效率,我們顯示的進(jìn)行填補(bǔ)空間進(jìn)行對(duì)齊,比如:有一種使用空間換時(shí)間做法是顯式的插入reserved成員:struct A char a; char reserved3;/使用空間換時(shí)間int b;reserved成員對(duì)我們的程序沒有什么意義,它只是起到填補(bǔ)空間以達(dá)到字

12、節(jié)對(duì)齊的目的,當(dāng)然即使不加這個(gè)成員通常編譯器也會(huì)給我們自動(dòng)填補(bǔ)對(duì)齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.六.字節(jié)對(duì)齊可能帶來的隱患:代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患,很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。例如:unsigned int i = 0x12345678;unsigned char *p=NULL;unsigned short *p1=NULL;p=&i;*p=0x00;p1=(unsigned short *(p+1;*p1=0x0000;最后兩句代碼,從奇數(shù)邊界去訪問unsignedshort型變量,顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。在x86上,類似的操作只會(huì)影響效率,但是在MIPS或者sp

13、arc上,可能就是一個(gè)error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊.七.如何查找與字節(jié)對(duì)齊方面的問題:如果出現(xiàn)對(duì)齊或者賦值問題首先查看1. 編譯器的big little端設(shè)置2. 看這種體系本身是否支持非對(duì)齊訪問3. 如果支持看設(shè)置了對(duì)齊與否,如果沒有則看訪問時(shí)需要加某些特殊的修飾來標(biāo)志其特殊訪問操作。有部分摘自ARM編譯器文檔對(duì)齊部分對(duì)齊的使用:1._align(num這個(gè)用于修改最高級(jí)別對(duì)象的字節(jié)邊界。在匯編中使用LDRD或者STRD時(shí)就要用到此命令_align(8進(jìn)行修飾限制。來保證數(shù)據(jù)對(duì)象是相應(yīng)對(duì)齊。這個(gè)修飾對(duì)象的命令最大是8個(gè)字節(jié)限制,可以讓2字節(jié)的對(duì)象進(jìn)行4字節(jié)對(duì)齊,但是不能讓4字節(jié)的對(duì)象

14、2字節(jié)對(duì)齊。_align是存儲(chǔ)類修改,他只修飾最高級(jí)類型對(duì)象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對(duì)象。2._packed_packed是進(jìn)行一字節(jié)對(duì)齊1.不能對(duì)packed的對(duì)象進(jìn)行對(duì)齊2.所有對(duì)象的讀寫訪問都進(jìn)行非對(duì)齊訪問3.float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用_packed的對(duì)象將不能字節(jié)對(duì)齊4._packed對(duì)局部整形變量無影響5.強(qiáng)制由unpacked對(duì)象向packed對(duì)象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定義為packed。_packed int* p; /_packed int 則沒有意義6.對(duì)齊或非對(duì)齊讀寫訪問帶來問題_packed struct STRUCT_TEST char a; int

15、 b; char c; ; /定義如下結(jié)構(gòu)此時(shí)b的起始地址一定是不對(duì)齊的/在棧中訪問b可能有問題,因?yàn)闂Ｉ蠑?shù)據(jù)肯定是對(duì)齊訪問from CL/將下面變量定義成全局靜態(tài)不在棧上static char* p;static struct STRUCT_TEST a;void Main(_packed int* q; /此時(shí)定義成_packed來修飾當(dāng)前q指向?yàn)榉菍?duì)齊的數(shù)據(jù)地址下面的訪問則可以p = (char*&a;q = (int*(p+1;*q = 0x87654321;/* 得到賦值的匯編指令很清楚ldr r5,0x20001590 ; = #0x123456780xe1a00005 mov r0,r50xeb0000b0 bl _rt_uwrite4 /在此處調(diào)用一個(gè)寫4byte的操作函數(shù)0xe5c10000 strb r0,r1,#0 /函數(shù)進(jìn)行4次strb操作然后返回保證了數(shù)據(jù)正確的訪問0xe1a02420 mov r2,r0,lsr #80xe5c12001 strb r2,r1,#10xe1a02820 mov r2,r0,lsr #160xe5c12002 strb r2,r1,