关于内存对齐

心已赠人 2022-09-18 05:41 211阅读 0赞

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;  
\}  
  
对齐有两点原因：

1 是提高效率；  
2 是提高移植性，在保证对齐的前提下，程序将具有更好的移植性 ...

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序数据都应该尽可能地对齐。  
Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80x86)在默认情况下采用如下的对齐规则: 任何基本数据类型T的对齐模数就是T的大小，即sizeof(T)。比如对于double类型(8字节)，就要求该类型数据的地址总是8的倍数，而char类型数据(1字节)则可以从任何一个地址开始。  
Linux下的GCC奉行的是另外一套规则(在资料中查得，并未验证，如错误请指正):任何2字节大小(包括单字节吗?)的数据类型(比如short)的对齐模数是2，而其它所有超过2字节的数据类型(比如long,double)都以4为对齐模数。