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字节对齐

2013年09月21日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1617字 ⁄ 字号 评论关闭

#pragma pack(n) 对齐用法详解

什么是对齐,以及为什么要对齐
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。

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合适目标平台的对齐策略。当然,我们也可以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
编辑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。


作用:指定结构体、联合以及类成员的packing alignment;
语法:#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )
说明: 1,pack提供数据声明级别的控制,对定义不起作用;
2,调用pack时不指定参数,n将被设成默认值;
3,一旦改变数据类型的alignment,直接效果就是占用memory的减少,但是performance会下降;

重要规则:

1,复杂类型中各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储,第一个成员的地址和整个类型的地址相同;
2,每个成员分别对齐,即每个成员按自己的方式对齐,并最小化长度;规则就是每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数中较小的一个对齐;
3,结构、联合或者类的数据成员,第一个放在偏移为0的地方;以后每个数据成员的对齐,按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度两个中比较小的那个进行;也就是说,当#pragma
pack指定的值等于或者超过所有数据成员长度的时候,这个指定值的大小将不产生任何效果;
4,复杂类型(如结构)整体的对齐<注意是“整体”>是按照结构体中长度最大的数据成员和#pragma
pack指定值之间较小的那个值进行
;这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度;
5,结构整体长度的计算必须取所用过的所有对齐参数的整数倍,不够补空字节;也就是取所用过的所有对齐参数中最大的那个值的整数倍,因为对齐参数都是2的n次方;这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐


这里面有四个概念值:
1.数据类型自身的对齐值:就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。
2.指定对齐值:#pragma pack
(value)时的指定对齐值value。 
3.结构体或者类的自身对齐值:其数据成员中自身对齐值最大的那个值。
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的整数倍,结合下面例子理解)。

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