关于C语言内存对齐

上一篇文章复习了一下之前整理的内存对齐的内容，之后突然想到了在之前工作中犯的一个很严重的错误，受到了组长的严厉批评，有必要总结以下，就是关于内存对齐的。

之前是做嵌入式软件开发，主要是TCP/IP协议栈相关的代码，工作中要经常处理报文，主要是解析报文中各字段的值，之后根据具体的值走各个流程最终发出设备原因大概是这样的：

X86或者是ARM平台cpu都会支持访问非对齐的书数据，虽然访问速率大大降低但不会给操作系统抛出一个硬件异常导致挂机，而我司用的cpu是MIPS系列，由于这系列的cpu常用于实时性非常高的嵌入式系统中，所以根部不支持访问非对齐存储的数据，遇到这种情况直接挂掉，我们设备处理的报文默认是正常的报文也就是非畸形报文都是rfc规定的格式，而我负责的模块在客户那里测试的时候，人家为了测试代码的健壮性故意搞了一个畸形报文当走到我那模块的流程时直接挂掉！下面说一下内存对齐的知识：

一. 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。

内存对齐可以用一句话来概括就是：

“数据项只能存储在地址是数据项大小的整数倍的内存位置上”

例如int类型占用4个字节，地址只能在0，4，8等位置上。

例1：

#include <stdio.h>
struct xx{
        char b;
        int a;
        int c;
        char d;
};

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p/n", &bb.a);
        printf("&b = %p/n", &bb.b);
        printf("&c = %p/n", &bb.c);
        printf("&d = %p/n", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d/n", sizeof(struct xx));

        return 0;
}

执行结果如下：

&a = ffbff5ec
&b = ffbff5e8
&c = ffbff5f0
&d = ffbff5f4
sizeof(xx) = 16

会发现b与a之间空出了3个字节，也就是说在b之后的0xffbff5e9,0xffbff5ea,0xffbff5eb空了出来，a直接存储在了0xffbff5ec， 因为a的大小是4，只能存储在4个整数倍的位置上。打印xx的大小会发现，是16，有些人可能要问，b之后空出了3个字节，那也应该是13啊？其余的3个 呢？这个往后阅读本文会理解的更深入一点，这里简单说一下就是d后边的3个字节，也会浪费掉，也就是说，这3个字节也被这个结构体占用了.

可以简单的修改结构体的结构，来降低内存的使用，例如可以将结构体定义为：
struct xx{
        char b; 
        char d;
        int a;          
        int c;                  
};

这样打印这个结构体的大小就是12，省了很多空间，可以看出，在定义结构体的时候，一定要考虑要内存对齐的影响，这样能使我们的程序占用更小的内存。

二.操作系统的默认对齐系数

每 个操作系统都有自己的默认内存对齐系数，如果是新版本的操作系统，默认对齐系数一般都是8，因为操作系统定义的最大类型存储单元就是8个字节，例如 long long（为什么一定要这样，在第三节会讲解），不存在超过8个字节的类型（例如int是4，char是1，long在32位编译时是4，64位编译时是 8）。当操作系统的默认对齐系数与第一节所讲的内存对齐的理论产生冲突时，以操作系统的对齐系数为基准。

例如：

假设操作系统的默认对齐系数是4，那么对与long long这个类型的变量就不满足第一节所说的，也就是说long long这种结构，可以存储在被4整除的位置上，也可以存储在被8整除的位置上。

可以通过#pragma pack()语句修改操作系统的默认对齐系数，编写程序的时候不建议修改默认对齐系数，在第三节会讲解原因

例2：

#include <stdio.h>
#pragma pack(4)
struct xx{
        char b;
        long long a;
        int c;
        char d;
};
#pragma pack()

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p/n", &bb.a);
        printf("&b = %p/n", &bb.b);
        printf("&c = %p/n", &bb.c);
        printf("&d = %p/n", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d/n", sizeof(struct xx));

        return 0;
}
打印结果为：

&a = ffbff5e4
&b = ffbff5e0
&c = ffbff5ec
&d = ffbff5f0
sizeof(xx) = 20

发现占用8个字节的a，存储在了不能被8整除的位置上，存储在了被4整除的位置上，采取了操作系统的默认对齐系数。

三.内存对齐产生的原因

内存对齐是操作系统为了快速访问内存而采取的一种策略，简单来说，就是为了放置变量的二次访问。操作系统在访问内存 时，每次读取一定的长度（这个长度就是操作系统的默认对齐系数，或者是默认对齐系数的整数倍）。如果没有内存对齐时，为了读取一个变量是，会产生总线的二 次访问。

例如假设没有内存对齐，结构体xx的变量位置会出现如下情况：

struct xx{
        char b;         //0xffbff5e8
        int a;            //0xffbff5e9       
        int c;             //0xffbff5ed      
        char d;         //0xffbff5f1
};

操作系统先读取0xffbff5e8-0xffbff5ef的内存，然后在读取0xffbff5f0-0xffbff5f8的内存，为了获得值c，就需要将两组内存合并，进行整合，这样严重降低了内存的访问效率。（这就涉及到了老生常谈的问题，空间和效率哪个更重要？这里不做讨论）。

这样大家就能理解为什么结构体的第一个变量，不管类型如何，都是能被8整除的吧（因为访问内存是从8的整数倍开始的，为了增加读取的效率）！