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。