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  • C++中的内存对齐

    //(32bit,x86环境,vs2010)

    struct test

    {

           char m1;

           unsigned int m2;

           char m3;

           double m4;

           char m5;

    };

    对其执行sizeof(test),得到值为32,并且我们对里面每个变量取sizeof,确实是所属类型的大小,但为什么不是1+4+1+8+1=15呢,我们执行下面代码来计算每个变量之间的地址偏移量:

           test t;

           cout << sizeof(t) << endl;

           cout << (unsigned int)(void*)&t.m2 - (unsigned int)(void*)&t.m1 << endl;

           cout << (unsigned int)(void*)&t.m3 - (unsigned int)(void*)&t.m2 << endl;

           cout << (unsigned int)(void*)&t.m4 - (unsigned int)(void*)&t.m3 << endl;

           cout << (unsigned int)(void*)&t.m5 - (unsigned int)(void*)&t.m4 << endl;

    输出结果如下

    32

    4

    4

    8

    8

     

    这是因为结构体内存分配有自己的对齐规则,结构体内存对齐默认的规则如下:

    1、 分配内存的顺序是按照声明的顺序。

    2、 每个变量相对于起始位置的偏移量必须是该变量类型大小的整数倍,不是整数倍空出内存,直到偏移量是整数倍为止。

    3、 最后整个结构体的大小必须是里面变量类型最大值的整数倍。

     

    分析上面test结构体

    1、 分配m1,此时偏移量是0,整数倍,分配1个字节

    2、 分配m2,此时偏移量为1,int型大小为4,不是整数倍,因此先跳过3个字节,此时偏移量为4,达到整数倍,分配m2的四个字节,因此这个步骤分配了7个字节

    3、 分配m3,此时的偏移量为8,m3只需要1个字节,整数倍,分配1个字节

    4、 分配m4,此时偏移量为9,double型是8个字节,不是整数倍,下一个整数倍是16,因此先跳过7个字节,再分配m4,该步骤共分配了15个字节。

    5、 分配m5,此时的偏移量为24,是整数倍,分配1个字节

    6、 此时一共分配了25个字节,但总大小要是最大类型大小的整数倍,double为最大类型,是8,最近的是32,因此该步骤要再分配7个字节。

     

    当然上面只是编译器默认的分配规则,我们可以通过下面几个方法改变结构体的大小

    1、 改变结构体中变量的声明顺序,按照类型大小从小到大的顺序声明,占用的空间就会比较小。

    2、   我们可以使用#pragma修改这个规则, #pragma是C++的一个预处理指令,它有很多作用,其中一个作用就是修改分配规则。在上面代码的结构体定义前面添加:

    #pragma pack(1)

    运行结果如下

    15

    1

    4

    1

    8

     

    改为#pragma pack(2)时如下

    18

    2

    4

    2

    8

     

    添加了#pragma pack(n)后规则就变成了下面这样:

    1、 偏移量要是n和当前变量大小中较小值的整数倍

    2、 整体大小要是n和最大变量大小中较小值的整数倍

    3、 n值必须为1,2,4,8…,为其他值时就按照默认的分配规则

     

    注意:其实最开始的例子也是按照这样的规则,只是它使用的是系统默认的n值,默认为8,vs中的路径为Project]|[Settings],c/c++选项卡Category的Code Generation选项的Struct Member Alignment。

     

    #pragma pack的常用用法如下

    1、#pragma pack(push, n) //将当前对齐值值设为n,并将之前的对齐值压栈保存

    2、#pragma pack(n)//将当前对齐值设为n,不保存之前值

    3、#pragma pack()//将当前对齐值恢复到默认8

    4、#pragma pack(pop)//如果栈有值,就以栈顶值出栈并设为为当前值,栈里没有值否则就不变

    5、#pragma pack(pop, n)// 如果栈有值,就以栈顶值出栈,将当前对齐值设为n

     

    除了结构体,联合和类也是这样的。

    为什么要对齐呢,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。 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位系统)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。一般我们写程序的时候,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。

    代码中关于对齐的隐患,很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。例如:

           unsigned int i = 0xFFFFFFFF;

           cout << hex << i << endl;

           char *p = NULL;

           unsigned short *p1=NULL;

           //p= reinterpret_cast<unsigned char *>(&i);  

           p= (char *)(&i);  

           *p=0x00;

           cout << hex << i << endl;

           p1=(unsigned short *)(p+1);

           *p1=0x0000;

           cout << hex << i << endl;

    输出结果如下

     ffffffff

    ffffff00

    ff000000

    最后两句代码,从奇数边界去访问unsignedshort型变量,显然不符合对齐的规定。

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