C 内存对齐原则

2017-08-04 阅读量

数据成员对齐原则：结构（struct或联合union）的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员（正在放的这个变量）大小的整数倍开始（比如int在32位机为４字节，则要从4的整数倍地址开始存储）

前提：没有pragma pack宏控制，自定义对齐基数：#pragma pack

一个诡异的现象

先上一个例子，大家先运行一下看看

#include <stdio.h>
struct str1
{
    char a;
    short b
    int c;
} str1;
struct str2
{
    short a;
    int b;
    char c;
} str2;
int main ()
{
    printf("sizeof(str1): %d \n", sizeof(str1));
    printf("sizeof(str2): %d \n", sizeof(str2));
    
    return 0;   
}

结果（同样的成员类型，变换一下位置，整个结构体的长度竟然不一样）：

1
2
3

[wettper@web-lovers ctest]$ ./memory_alignment
sizeof(str1): 8
sizeof(str2): 12

内存对齐原则

结构体变量的 首地址 能够被其 最宽基本类型成员大小 与 对齐基数 中的 较小者整除
结构体每个成员相当于 结构体首地址 的 偏移量 都是该成员大小与对齐基数中的较小者的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字符
结构体的总大小为结构体 最宽基本类型成员大小 与 对齐基数 中的 较小者 的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员后加上填充字符

why use this principle？

平台原因

不是所有硬件平台都可以访问任意地址上的任意数据；某些硬件平台只能在某些地址获取某些指定类型的数据，否则抛出硬件异常。

性能原因

数据结构应该尽可能的在自然边界上对齐，为了访问未对其的内存，处理器需要做两次内存访问，而对齐的内存访问只需要一次就 ok

剖析栗子

回过头来看看最上方的栗子，按道理说 sizeof(str1) 和 sizeof(str2) 应该都一样，1(char) + 2(short) + 4(int) = 7，而实际上一个排列不一样，一个是 8 一个是 12；我们猜测就是编译经过什么操作，使得结构体的内存变大了；Yes，这个操作就是 内存对齐。

so，我们就来剖析一下这个原因，根据之前我们总结的内存对齐的规则，每个数据成员的偏移量必须是 对齐基数 和 成员数据大小 之中的 最小值，即 min(对齐基数, 成员数据大小)，而对齐基数（一般由 #pragma pack(n) 进行设置，n表示设置为n字节对齐） VC6默认的是8字节对齐。

以 str1 为例：

char 占1个字节，起始偏移量为 0；
short 占2个字节，根据 min(对齐基数[8字节], 成员数据大小[short 2字节]) = 2字节原则，这个short成员的偏移量需要是 2 的倍数，所以编译器会在 char 后填充一个直接的额外字节，保证后面 short 的偏移量为 2 的倍数；
int 占 4个字节，根据第二条同样的对齐原则，偏移量应该是 4 的倍数，刚好前面两个成员占用了 4个字节，字节从后面进行偏移添加

1 2	xxx \| xxxx abb \| cccc

而 str2 的结构按照上述方法进行分析：

1 2	xx \| xxxx \| x* aa \| bbbb \| c*

另外关于数组这种比较大的栗子我们也来分析一个：

struct lib
{
    int bookinfo[3][5];
    char isbn[21];
    float price;
    char name[20];
    float address1, address2, address3;
} library[3];

我们来分步骤分析，这次字节数比较多，就不画图了：

bookinfo 成员，int 占 4个字节，偏移量0，满足对齐原则，二维数组；此成员占：4 3 5 = 60
isbn 成员，char 占 1 个字节，偏移量60，满足对齐原则；但是下一个成员float占4个字节，偏移量 60 + 21 = 81，不满足 4 的倍数，所以这个成员需要补足；此成员占：1 * 21 + 3= 24
price 成员，float 占 4个字节，偏移量 60 + 24 = 84，满足 4 的倍数；此成员占：4 = 4
name 成员，char 占 1个字节，偏移量 60 + 24 + 4 = 88，满足对齐原则；此成员占：1 * 20 = 20
address1 成员，float 占 4个字节，偏移量 60 + 24 + 4 + 20 = 108，满足 4 的倍数；此成员占：4 = 4
address2、address3 同样道理；此二个成员占：4 + 4 = 8
结构体里成员占用空间为 60 + 24 + 4 + 20 + 4 + 4 + 4 = 120，而结构体为数组，120 * 3 = 360

神器：valgrind

系统编程中一个重要的方面就是有效地处理与内存相关的问题。我们的工作越接近系统，就需要面对越多的内存问题。有时这些问题非常琐碎，而更多时候它会演变成一个调试内存问题的恶梦。所以，在实践中会用到很多工具来调试内存问题。所以就有了：最流行的开源内存管理框架 VALGRIND

摘自 Valgrind.org：

Valgrind是用于构建动态分析工具的探测框架。它包括一个工具集，每个工具执行某种类型的调试、分析或类似的任务，以帮助完善你的程序。Valgrind的架构是模块化的，所以可以容易地创建新的工具而又不会扰乱现有的结构。

常用 Valgrind Memcheck 进行内存分析：

1	valgrind --tool=memcheck ./a.out

这里就不对这个工具介绍太多，后续 wettper 会专门针对这个工具进行详细说明讲解...

本文作者： wettper
本文链接： http://www.web-lovers.com/c-memory-alignment.html
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