什么是内存对齐

发布时间:2017-6-25 8:17:24 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
本篇文章主要介绍了"什么是内存对齐",主要涉及到什么是内存对齐方面的内容,对于什么是内存对齐感兴趣的同学可以参考一下。

什么是内存对齐???     考虑下面的结构:          struct foo          {            char c1;            short s;            char c2;            int i;           };          假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的,假设c1的地址是0,那么s的地址就应该是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,我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序:          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);     运行,输出:          c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。     为什么会这样?这就是内存对齐而导致的问题。 为什么会有内存对齐     以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。     字,双字,和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。(对字,双字,和四字来说,自然边界分别是偶数地址,可以被4整除的地址,和可以被8整除的地址。)     无论如何,为了提高程序的性能,数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;然而,对齐的内存访问仅需要一次访问。     一个字或双字操作数跨越了4字节边界,或者一个四字操作数跨越了8字节边界,被认为是未对齐的,从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的,能够在一个总线周期中被访问。     某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐,这些指令将会产生一个通用保护异常(#GP)。双四字的自然边界是能够被16整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问(不会产生通用保护异常),然而,需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。 编译器对内存对齐的处理     缺省情况下,c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此,上面的程序输出就变成了: c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。 编译器将未对齐的成员向后移,将每一个都成员对齐到自然边界上,从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间(成员之间有空洞),但提高了性能。 也正是这个原因,我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中,sizeof(foo) == 12。 如何避免内存对齐的影响     那么,能不能既达到提高性能的目的,又能节约一点空间呢?有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成: struct bar {     char c1;      char c2;     short s;     int i; };     这样一来,每个成员都对齐在其自然边界上,从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中,sizeof(bar) == 8。     这个技巧有一个重要的作用,尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变,从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式,而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。     比如,foo结构,我们的DLL使用默认对齐选项,对齐为 c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008,同时sizeof(foo) == 12。 而第三方将对齐选项关闭,导致     c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004,同时sizeof(foo) == 8。 如何使用c/c++中的对齐选项     vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ,/Zp1表示以1字节边界对齐,相应的,/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说,一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上,取它们中的最小值。也就是:     min ( sizeof ( member ),  n)     实际上,1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。     /Zpn选项是应用于整个工程的,影响所有的参与编译的结构。     要使用这个选项,可以在vc6中打开工程属性页,c/c++页,选择Code Generation分类,在Struct member alignment可以选择。     要专门针对某些结构定义使用对齐选项,可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下: #pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )     意义和/Zpn选项相同。比如: #pragma pack(1) struct foo_pack {     char c1;     short s;     char c2;     int i; }; #pragma pack() 栈内存对齐     我们可以观察到,在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。(本来就是两码事)。它总是保持对齐,而且对齐在4字节边界上。 验证代码 #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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