内存对齐的影响因素

 
一

)

为什么要有内存对齐


   
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。

二

)

常见数据类型的内存对齐


为了能使
CPU
对变量进行高效快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，

即所谓的
“
对齐
”
。例如对于
4
字节的
int
类型变量，其起始地址应位于
4
字节边界上，

即起始地址能够被
4
整除。变量的对齐规则如下（
32
位系统）：

Type	Alignment( 默认的自然对齐 )
char	在字节边界上对齐
short(16-bit)	在双字节边界上对齐
int  long (32-bit)	在 4 字节边界上对齐
float	在 4 字节边界上对齐
double	在 8 字节边界上对齐
structures	单独考虑结构体的每个成员，它们在不同的字节边界上对齐。 其中最大的字节边界数就是该结构的字节边界数

 

structures


对于结构体
S1
的每个简单成员如果其对齐边界是
x1,
而它又含有结构体
S2,
而
S2
内部的对齐边界是
x2,
则结构体
S1
的对齐边界取
X=max(x1, x2);

对于结构体
S2
中的某一成员
item
，它的对齐边界取
: X=max(sizeof(item)

 

范例：


struct s1{

short a; 

long b;

};

struct s2{

char c;

s1 d;

long long e;

};

问

1.sizeof(s2) = ?

2.s2
的内存布局是怎么样的
?

答：

 //modify 2007.3.10

s1,
成员
a
是
short,
按
2byte
自然对齐
;
成员
b
是
int,
按
4byte
自然对齐，取最大成员的
size(int),
因此这个结构体的对齐边界就是
4bytes.
所以
sizeof(s1)=8;

s2,
成员
c
是
char,
按
1byte
自然对齐。但成员
d
则又是个结构体，
sizeof(d)
是
8byte,
结构体
d
内成员的最大是
int,
它的内部对齐由
s1
可知，是按
4byte
对齐。那么这边又按什么对齐呢？下面成员
e
是
long long,
默认按
8byte
对齐。因此
S1
中的成员是按
8BYTE
对齐
,
但
S2
中仍然按照
4BYTE
对齐
.

a b

S1
的内存布局：
11**,1111,      
//4byte
对齐, sizeof(s1)=2+[2]+4 = 8  

S2
的内存布局：
1***,****,11**,1111,11111111 //8byte
对齐, sizeof(s2)=1+[7]+8+8 = 24byte.

实际gcc下检测得到的是20byte=1+[3]+8+8, 估计是按4byte缺省对齐的。

说明：[ ]表示需要补位的值。Modify on Mar,5,2010.
------------------------------------------------------------------------------------

 

 

注意：

1
）

对于空结构体，
sizeof
＝＝
1
；因为必须保证结构体的每一个实例在内存中都

有独一无二的地址。

2
）

结构体的静态成员不对结构体的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与

结构体的实例地址无关。

例如：

struct {static int I;} T; struct {char a; static int I;} T1;

sizeof(T) == 1; sizeof(T1) == 1;

 

三

)

各编译器下内存对齐的影响


上面那种是系统默认的对齐，也就是自然对齐。

现实中，编译器也能按指定的字节进行对齐，这称为指定对齐。如
VC
，
gcc

--------------------------------MSDN VC----------------------------------------------------

   
使用伪指令
#pragma pack (n)
，编译器将按照
n
个字节对齐；

   
使用伪指令
#pragma pack ()
，取消自定义字节对齐方式。

#pragma pack(n)

When you use #pragma pack(n), where n is 1, 2, 4, 8, or 16, each structure member after the first is stored on the smaller member type or n-byte boundaries. If you use #pragma pack without an argument, structure members are packed to the value specified by /Zp. The default /Zp packing size is /Zp8.

----------------------------------GCC-----------------------------------------------

__attribute__ ((packed));