内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

内存对齐的规则以及作用

大家好,又见面了,我是全栈君。

内存对齐能够用一句话来概括:

“数据项仅仅能存储在地址是数据项大小的整数倍的内存位置上”
比如int类型占用4个字节。地址仅仅能在0,4。8等位置上。

由一个程序引入话题:

//环境:vc6 + windows sp2
//程序1
#include <iostream>

using namespace std;

struct st1 
{
    char a ;
    int  b ;
    short c ;
};

struct st2
{
    short c ;
    char  a ;
    int   b ;
};

int main()
{
    cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
    cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
    return 0 ;
}


程序的输出结果为:

 sizeof(st1) is 12

        sizeof(st2) is 8 

 

问题出来了。这两个一样的结构体,为什么sizeof的时候大小不一样呢?

本文的主要目的就是解释明确这一问题。

 

内存对齐,正是由于内存对齐的影响,导致结果不同。

对于大多数的程序猿来说,内存对齐基本上是透明的,这是编译器该干的活,编译器为程序中的每一个数据单元安排在合适的位置上,从而导致了同样的变量,不同声明顺序的结构体大小的不同。

 

       那么编译器为什么要进行内存对齐呢?程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7。4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。

经过内存对齐后,结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前,先来看下内存对齐的规则:

1、  对于结构的各个成员。第一个成员位于偏移为0的位置,以后每一个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、  在数据成员完毕各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将依照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中。比較小的那个进行。

 

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。

 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则 :

St1 :char占一个字节。起始偏移为0 ,int 占4个字节,min(#pragma pack()指定的数。这个数据成员的自身长度) = 4(VC6默认8字节对齐),所以int按4字节对齐。起始偏移必须为4的倍数,所以起始偏移为4,在char后编译器会加入3个字节的额外字节,不存放随意数据。short占2个字节,按2字节对齐。起始偏移为8,正好是2的倍数,无须加入额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束。此时的内存状态为:

oxxx|oooo|oo

0123 4567 89 (地址)

(x表示额外加入的字节)

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐。对齐将依照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中。比較小的那个进行,st1结构中最大数据成员长度为int。占4字节,而默认的#pragma pack 指定的值为8,所以结果本身依照4字节对齐。结构总大小必须为4的倍数,需加入2个额外字节使结构的总大小为12 。

此时的内存状态为:

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab  (地址)

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

 

St2 的对齐方法和st1同样,读者可自己完毕。

 

内存对齐的主要作用是:

1、  平台原因(移植原因):不是全部的硬件平台都能訪问随意地址上的随意数据的;某些硬件平台仅仅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:经过内存对齐后,CPU的内存訪问速度大大提升。

详细原因稍后解释。

 

图一:


内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

这是普通程序猿心目中的内存印象。由一个个的字节组成。而CPU并非这么看待的。

 

图二:

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

CPU把内存当成是一块一块的,块的大小能够是2,4。8。16字节大小。因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity(粒度) 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

 

如果CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中,分两种情况讨论:

1、数据从0字节開始

2、数据从1字节開始

 

再次如果内存读取粒度为4。

 

图三:

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

当该数据是从0字节開始时,非常CPU仅仅需读取内存一次就可以把这4字节的数据全然读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节開始时,问题变的有些复杂。此时该int型数据不是位于内存读取边界上。这就是一类内存未对齐的数据。

 

图四:

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

 

此时CPU先訪问一次内存。读取0—3字节的数据进寄存器。并再次读取4—5字节的数据进寄存器,接着把0字节和6,7,8字节的数据剔除。最后合并1,2,3。4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作。大大减少了CPU性能。

    这还属于乐观情况了。上文提到内存对齐的作用之中的一个为平台的移植原因,由于以上操作仅仅有有部分CPU肯干,其它一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

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