关于C/C++中的数据对齐的一些疑问

初次接触“数据对齐”这个概念的时候，大概是在学习C语言基础结构体的时候，当时就记得老师说，这是以后找工作面试最常问的一个问题。后来虽然把基本思路摸清楚了，但是关于在计算机系统中的具体原因，我也没有去仔细深究，大概是为以空间去换取效率吧。昨天晚上浏览博客园的时候，注意到有个朋友写了这样一篇，看的时候总觉得解释的比较别扭，和我之前的理解大相径庭。由于是手机上网，也没有多加验证，今天打开电脑突然想起这个问题，就简单编写测试程序验证了一下。也把数据对齐这个概念重新温习了一遍。

找了许多中文资料，关于数据对齐的原因解释是这样的：

1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬
件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2、性能原因：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；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

先看第一个例子：

  1. #include <iostream>   
  2. using namespace std;       
  3. struct s1{    
  4.         char k;   
  5.         double i;   
  6.         char c;   
  7. };   
  8. int main(int argc,char **argv)   
  9. {   
  10.         cout << sizeof(struct s1) << endl;   
  11.         return 0;   
  12. }  

这个例子摘自于“博客园”，上面的解释的输出结果是24，而我在Redhat X86 用GCC编译输出结果却是16，符合之前我记得的两条数据对齐的规则：1.默认按照4字节补齐；2.如果所有成员都小于默认的补齐方式，则按照所有成员最大的成员进行补齐。但是仔细一看博客园的解释，觉得也对，上面解释大概是是这样的：

如果是连续的存每个字段的值，那么double类型的i就可能分配在两个8字节的存储器块中，那么可能就要执行两次存储器访问，而现在的内存分配至这样的，k,i,c都占用8个字节，这样访问1次存储器就能得到double类型的i的值。k后面会有7个字节被浪费掉，也就是说i的偏移量是8，同样的c后面有7个字节被浪费掉，尽管它后面没有任何字段。这样显然太浪费内存了。

我能想到的解释是：不同机器中的对齐方式不一样，关于这点，我也整理了一些资料查看，在文章末尾提供参考。。

再来看另一个程序如下：

  1. #include <iostream>   
  2. using namespace std;   
  3. typedef struct{   
  4.         char c1;    
  5.         long l;   
  6.         char c2;    
  7.         double d;   
  8. }a;   
  9.   
  10. typedef struct{   
  11.         char c1;    
  12.         char c2;    
  13.         long l;   
  14.         double d;   
  15. }b;   
  16. int main(int argc,char **argv)   
  17. {   
  18.         cout << "sizeof(a) = " << sizeof(a) << endl;   
  19.         cout << "sizeof(b) = " << sizeof(b) << endl;   
  20.         return 0;   
  21. }  

这个程序作者应该是windows xp下运行的并且采用vc++6.0进行编译执行的。上面这个程序的执行结果是

但是同样的程序在linux下gcc编译执行结果是

关于上面两个程序分析如下：

1.在windows xp下采用vc++6.0编译时，c1为char类型占用一个字节，之后为了让l自然对齐，因此需要填充3个字节。l为long型，占用4个字节，c2为char型，为了让双精度的d对齐，需要在c2添加7个字节，之后d占用8个字节。所以结果为：1+3+4+1+7+8=24。按同样的规则易得结构体b所占空间为16。

2.在linux下采用gcc编译时，补齐按照4个字节来进行补齐，也就是说结构体a中四个元素分别占用空间大小为4，4，4，8，总共为20，其中20为4个倍数，也满足linux下数据对齐的原则。

看来造成这样的诧异，应该是与平台以及编译器有关系。

以上的对齐方式，称作自然对齐，在学习C编译工具的时候，记得可以通过设置pragma来强制对齐，比如上面的程序修改成如下：

  1. #include <iostream>   
  2. using namespace std;   
  3. #pragma pack(2)   
  4. typedef struct{   
  5.         char c1;    
  6.         long l;   
  7.         char c2;    
  8.         double d;   
  9. }a;   
  10.   
  11. typedef struct{   
  12.         char c1;    
  13.         char c2;    
  14.         long l;   
  15.         double d;   
  16. }b;   
  17. #pragma pack()   
  18. int main(int argc,char **argv)   
  19. {   
  20.         cout << "sizeof(a) = " << sizeof(a) << endl;   
  21.         cout << "sizeof(b) = " << sizeof(b) << endl;   
  22.         return 0;   
  23. }  

运行结果为：

分析：由于通过#pragma将对齐设置为2个字节，所以，结构体a中的四个元素占用空间大小为：2，4，2，8，总共为16.结构体b也类似。

总结一下，关于#pragma pack(n)强制对齐有以下两种情况:

  • 第一、如果n大于等于该成员所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，即自然对齐方式。
  • 第二、如果n小于该成员的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数； 否则必然为n的倍数。

关于数据对齐的一些疑问也就总结到这里，原文地址是：http://www.muxiaofei.com/1238.html，欢迎大家到这里提出意见，本文参考了许多博客园和CSDN  百度博客以及一些培训机构的资料，总结的不是很完善，主要是阐述了个人的一些理解，关于数据对齐有很多情况，这里就不一一列举，下面列出参考的网址以及一些PDF文档提供下载：

posted @ 2012-10-05 00:15  mengzhiyi  阅读(267)  评论(1)  编辑  收藏  举报