【Base】内存字节对齐

###Date: 2018.3.27

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关于内存对齐的理解：

一、什么是对齐，以及为什么要对齐：

1. 现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

2. 对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况， 但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为 32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低 字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

二、对齐的实现

 

通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。
但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为编译器对数据存放做了对齐，而我们不了解的话，常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。

对齐的算法：

 

对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。

这里面有四个概念值：

1) 数据类型的自身对齐值：就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。

2) 结构体、类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

3) 指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。默认为成员自身对齐值的最大的那个值。

4) 数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。

 

有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。

 

有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。

有效对齐值N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的“存放起始地址%N=0”，

而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。

结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(

就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值(自身(成员变量自身最大者)和指定较小者)的整数倍)，

结合下面例子理解，这样就不难理解上面的几个例子的值了。

 

由于各个平台和编译器的不同，现以本人使用的gcc version 3.2.2编译器（32位x86平台）为例子，来讨论编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐的。

 

 

1、设结构体如下定义：
struct A 

{
    int a;
    char b;
    short c;
};
结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个。所以A用到的空间应该是7字节。但是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。
所以使用sizeof(strcut A)值为8。

 

2、现在把该结构体调整成员变量的顺序。
struct B 

{
    char b;
    int a;
    short c;
};
这时候同样是总共7个字节的变量，但是sizeof(struct B)的值却是12。

 

3、下面我们使用预编译指令#pragma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。
#progma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C 

{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct C)值是8。

 

4、修改对齐值为1：
#progma pack (1) /*指定按1字节对齐*/
struct D {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct D)值为7。

字节对齐算法：

字节对齐是在分配内存时需要考虑的问题，两个小算法：

(1)最容易想到的算法:

unsigned int calc_align(unsigned int n,unsigned align)  
{  
    if ( n / align * align == n)  
            return n;  
  
        return  (n / align + 1) * align;  
}  

(2)更好的算法：

unsigned int calc_align(unsigned int n,unsigned align)  
{  
    return ((n + align - 1) & (~(align - 1)));  
} 

对于2算法原理如下：

2字节对齐，要求地址位为2,4,6,8...，要求二进制位最后一位为0（2的1次方）

4字节对齐，要求地址位为4,8,12,16...，要求二进制位最后两位为0（2的2次方）

8字节对齐，要求地址位为8,16,24,32...，要求二进制位最后三位为0（2的3次方）

16字节对齐，要求地址位为16,32,48,64...，要求二进制位最后四位为0（2的4次方）

...

由此可见，我们只要对数据补齐对齐所需最少数据，然后将补齐位置0就可以实现对齐计算。

 

（1）(align-1)，表示对齐所需的对齐位，如：2字节对齐为1，4字节为11，8字节为111，16字节为1111...

（2）(x+(align-1))，表示x补齐对齐所需数据      

（3）&~(align-1)，表示去除由于补齐造成的多余数据

（4） (x+(align-1))&~(align-1)，表示对齐后的数据

举个例子：如8字节对齐。起始地始是6

6 + （8 - 1）=0000 0110 + 0000 0111 = 0000 1101

0000 1101 & ~(0000 0111) = 0000 1000  //去除由于补齐造成的多余数据

参考：

https://www.cnblogs.com/pluser/p/memory_bytes_alignment.html

https://www.cnblogs.com/mashang/archive/2011/03/24/1993512.html

https://blog.csdn.net/godsight/article/details/52810391