内存对齐
2018-01-06 16:22
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关于结构体,我们都知道要考虑内存对齐问题,但是为什么对齐和如何对齐呢?
这是我们要讨论的两个核心问题。
平台原因:
不是所有得到硬件都能访问任意地址上的任意数据的。
某些硬件只能访问特定地址上的特定数据。
性能原因:
为了访问未对齐的数据,处理器要进行两次内存访问;已对齐的数据,只需一次访问即可。(举个例子,如果只能兑的整数倍处的地址进行内存访问的话,只有0,4,8….这些位置能够被一次直接访问,其他位置可能需要二次访问)
总的来说,内存对齐实际上是以空间换取时间的一种做法。
第一个成员在于结构体偏移量为0的地址处,即就是说第一个成员默认已对齐。
其他成员都要对齐到某个数字的整数倍的地址处。
这个数字就是对齐数=min{编译器默认的一个对齐数,该成员大小}
(VS中默认对齐数为8,LINUX中默认为4)
结构体总大小为最大对齐数的整数倍。(第一个成员也有对齐数)
结构体嵌套结构体:
被嵌套的结构体对齐到最大对齐数的整数倍。
整体结构体的大小为最大对齐数的整数倍。(包括被嵌套的结构体)。
我们用上述规则来分析:首先第一个c1默认已对齐,占1个字节。第二个整形对齐时的对齐数是4(自身大小)所以他要对齐到地址为4处,占4个字节,第三个成员直接存放,所以此时是1+(3)+4+1,但是整体大小必须是最大对齐数的整数倍,最大对齐数是4,所以整体大小是12.
分析:c1c2可以直接被存放,占两个字节,i要对齐地址4的整数倍处,占4个字节,此时2+(2)+4=8,并且8恰好是4的整数倍。所以该结构体大小为8.
分析:第一个成员默认对齐,所以占8个字节,c1可以直接被存放,所以占一个字节,i要被对齐到4的整数倍地址处,所以此时8+1+(3)+4,且16是8的整数倍。所以该结构体的大小为16.
分析:第一个c1可以直接被存放,默认对齐,第二个成员是一个结构体大小是16,对齐数是8(8与16的较小值,VS下默认对齐数是8),第三个成员d对齐数为8能够被当前偏移量整除。此时1+(7)+16+8=32.
联合体所以成员公用同一块内存空间。
联合体内存对齐时要满足如下规则;
联合体的大小至少是最大成员的大小。
当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍时,就要对齐到最大对齐数的整数倍。
看两个例子:
分析:
最大成员大小为5,最大对齐数为4,最大成员大小并不是最大对齐数的整数倍,所以要对齐到最大对齐数的整数倍,所以是8.
分析:最大成员大小为14,并不是最大对齐数4的整数倍,那么就要对齐到最大对齐数的整数倍。所以是16.
这是我们要讨论的两个核心问题。
为什么内存对齐
根据大部分参考资料:平台原因:
不是所有得到硬件都能访问任意地址上的任意数据的。
某些硬件只能访问特定地址上的特定数据。
性能原因:
为了访问未对齐的数据,处理器要进行两次内存访问;已对齐的数据,只需一次访问即可。(举个例子,如果只能兑的整数倍处的地址进行内存访问的话,只有0,4,8….这些位置能够被一次直接访问,其他位置可能需要二次访问)
总的来说,内存对齐实际上是以空间换取时间的一种做法。
如何内存对齐
掌握以下4条规则:第一个成员在于结构体偏移量为0的地址处,即就是说第一个成员默认已对齐。
其他成员都要对齐到某个数字的整数倍的地址处。
这个数字就是对齐数=min{编译器默认的一个对齐数,该成员大小}
(VS中默认对齐数为8,LINUX中默认为4)
结构体总大小为最大对齐数的整数倍。(第一个成员也有对齐数)
结构体嵌套结构体:
被嵌套的结构体对齐到最大对齐数的整数倍。
整体结构体的大小为最大对齐数的整数倍。(包括被嵌套的结构体)。
例题分析
struct S1 { char c1; int i; char c2; ;
我们用上述规则来分析:首先第一个c1默认已对齐,占1个字节。第二个整形对齐时的对齐数是4(自身大小)所以他要对齐到地址为4处,占4个字节,第三个成员直接存放,所以此时是1+(3)+4+1,但是整体大小必须是最大对齐数的整数倍,最大对齐数是4,所以整体大小是12.
struct S2 { char c1;//1 char c2;//1 int i;//4 };
分析:c1c2可以直接被存放,占两个字节,i要对齐地址4的整数倍处,占4个字节,此时2+(2)+4=8,并且8恰好是4的整数倍。所以该结构体大小为8.
struct S3 { double d;//8 char c;//1 int i;//4 ` ;
分析:第一个成员默认对齐,所以占8个字节,c1可以直接被存放,所以占一个字节,i要被对齐到4的整数倍地址处,所以此时8+1+(3)+4,且16是8的整数倍。所以该结构体的大小为16.
struct S3 { double d;//8 char c;//1 int i;//4 }s3; struct S4 { char c1;//1 struct S3 s3;//16 double d//8 };
分析:第一个c1可以直接被存放,默认对齐,第二个成员是一个结构体大小是16,对齐数是8(8与16的较小值,VS下默认对齐数是8),第三个成员d对齐数为8能够被当前偏移量整除。此时1+(7)+16+8=32.
联合体的内存对齐
首先要知道联合体是如何存储的;联合体所以成员公用同一块内存空间。
联合体内存对齐时要满足如下规则;
联合体的大小至少是最大成员的大小。
当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍时,就要对齐到最大对齐数的整数倍。
看两个例子:
union Un1 { char c[5];//1 int i;//4 };
分析:
最大成员大小为5,最大对齐数为4,最大成员大小并不是最大对齐数的整数倍,所以要对齐到最大对齐数的整数倍,所以是8.
union Un1 { short c[7];//2 int i;//4 };
分析:最大成员大小为14,并不是最大对齐数4的整数倍,那么就要对齐到最大对齐数的整数倍。所以是16.
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