C++基础之字节对齐

本文转自C语言字节对齐问题详解, 做了一定的删减和修改。

1. 什么是字节对齐

　　现代计算机中内存空间都是按照字节（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，而不是顺序地一个接一个地排放，这就是对齐。

2. 对齐的原因和作用

不同硬件平台对存储空间的处理上存在很大的不同。某些平台对特定类型的数据只能从特定地址开始存取，而不允许其在内存中任意存放。例如Motorola 68000 处理器不允许16位的字存放在奇地址，否则会触发异常，因此在这种架构下编程必须保证字节对齐。

但最常见的情况是，如果不按照平台要求对数据存放进行对齐，会带来存取效率上的损失。比如32位的Intel处理器通过总线访问(包括读和写)内存数据。每个总线周期从偶地址开始访问32位内存数据，内存数据以字节为单位存放。如果一个32位的数据没有存放在4字节整除的内存地址处，那么处理器就需要2个总线周期对其进行访问，显然访问效率下降很多。

因此，通过合理的内存对齐可以提高访问效率。为使CPU能够对数据进行快速访问，数据的起始地址应具有“对齐”特性。比如4字节数据的起始地址应位于4字节边界上，即起始地址能够被4整除。

此外，合理利用字节对齐还可以有效地节省存储空间。但要注意，在32位机中使用1字节或2字节对齐，反而会降低变量访问速度。因此需要考虑处理器类型。还应考虑编译器的类型。在VC/C++和GNU GCC中都是默认是4字节对齐。

3. 对齐的分类和准则

本文主要基于Intel X86架构介绍结构体对齐，栈内存对齐和位域对齐，位域本质上为结构体类型。

对于Intel X86平台，每次分配内存应该是从4的整数倍地址开始分配，无论是对结构体变量还是简单类型的变量。

3.1 结构体对齐

在C语言中，结构体是种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型(如int、long、float等)的变量，也可以是一些复合数据类型(如数组、结构体、联合等)的数据单元。编译器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各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结构的地址相同。

字节对齐的问题主要就是针对结构体。

3.1.1 简单示例

先看个简单的例子(32位，X86处理器，GCC编译器):
【例1】设结构体如下定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

struct A{
    int    a;
    char   b;
    short  c;
};
struct B{
    char   b;
    int    a;
    short  c;
};

已知32位机器上各数据类型的长度为：char为1字节、short为2字节、int为4字节、long为4字节、float为4字节、double为8字节。那么上面两个结构体大小如何呢？

结果是：sizeof(strcut A)值为8；sizeof(struct B)的值却是12。

结构体A中包含一个4字节的int数据，一个1字节char数据和一个2字节short数据；B也一样。按理说A和B大小应该都是7字节。之所以出现上述结果，就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

3.1.2 对齐准则

先来看四个重要的基本概念：

1. 数据类型自身的对齐值：就是基本数据类型的自身对齐值，比如char类型的自身对齐值为1字节，int类型的自身对齐值为4字节。
2. 结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值，比如以上的struct A的对齐值为4。
3. 指定对齐值：预编译命令#pragma pack （value）指定的对齐值value。
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较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}。

其中，有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N表示“对齐在N上”，即该数据的“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存放。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐存放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(即结构体成员变量占用总长度为结构体有效对齐值的整数倍)。

基于上面定义和说明，我们可以方便的得出结构体字节对齐满足的三个一般性准则：

1. 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
2. 结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节(internal adding)；
3. 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节{trailing padding}。

以此分析3.1.1节中的结构体B：
假定对齐值默认为4，则char的有效对齐值为1，int的有效对齐值为4，short的有效对齐值为2；则结构体的有效对齐值为4；假设结构体B内存起始地址为0x0000, 按照结构体B的变量定义顺序，可以简单地知道变量char b内存地址为0x0000，占1个字节；变量int a 内存地址为0x0004，占4个字节；变量short c内存地址为0x0008，占2个字节。至此结构体的大小为(0x0008-0x0000) + 2 = 10; 根据结构体圆整的要求（准则3），编译器会在后面补充2个字节以满足4的整数倍要求，所以sizeof(struct B)=12。

再来看一个例子：
【例2】假设4字节对齐，以下程序的输出结果是多少？

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

/* OFFSET宏定义可取得指定结构体某成员在结构体内部的偏移 */
#define OFFSET(st, field)     (size_t)&(((st*)0)->field)
typedef struct{
    char  a;
    short b;
    char  c;
    int   d;
    char  e[3];
}T_Test;

int main(void){
    printf("Size = %d\n  a-%d, b-%d, c-%d, d-%d\n  e[0]-%d, e[1]-%d, e[2]-%d\n",
           sizeof(T_Test), OFFSET(T_Test, a), OFFSET(T_Test, b),
           OFFSET(T_Test, c), OFFSET(T_Test, d), OFFSET(T_Test, e[0]),
           OFFSET(T_Test, e[1]),OFFSET(T_Test, e[2]));
    return 0;
}

执行后输出如下：

1
2
3

Size = 16
  a-0, b-2, c-4, d-8
  e[0]-12, e[1]-13, e[2]-14

下面来具体分析：
首先char a占用1个字节，没问题。
short b本身占用2个字节，根据上面准则2，需要在b和a之间填充1个字节。
char c占用1个字节，没问题。
int d本身占用4个字节，根据准则2，需要在d和c之间填充3个字节。
char e[3]；本身占用3个字节，根据原则3，需要在其后补充1个字节。
因此，sizeof(T_Test) = 1 + 1 + 2 + 1 + 3 + 4 + 3 + 1 = 16字节。

3.1.3 对齐的隐患

3.1.3.1 数据类型转换

代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。例如，在强制类型转换的时候：

1
2
3
4
5
6
7
8
9

int main(void){
    unsigned int i = 0x12345678;
    unsigned char *p = (unsigned char *)&i;
    *p = 0x00;
    unsigned short *p1 = (unsigned short *)(p+1);
    *p1 = 0x0000;

    return 0;
}

最后两句代码，从奇数边界去访问unsigned short型变量，显然不符合对齐的规定。在X86上，类似的操作只会影响效率；但在MIPS或者SPARC上可能导致error，因为它们要求必须字节对齐。

3.1.3.2 排查对齐问题

如果出现对齐或者赋值问题可查看：

1. 编译器的字节序大小端设置；
2. 处理器架构本身是否支持非对齐访问；
3. 如果支持看设置对齐与否，如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作。

3.1.4 更改对齐方式

主要是更改C编译器的缺省字节对齐方式。

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

• 使用伪指令#pragma pack(n)：C编译器将按照n个字节对齐；
• 使用伪指令#pragma pack()： 取消自定义字节对齐方式。

另外，还有如下的一种方式(GCC特有语法)：

• __attribute((aligned (n)))： 让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构体中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
• __attribute__ ((packed))： 取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

【注】__attribute__机制是GCC的一大特色，可以设置函数属性(Function Attribute)、变量属性(Variable Attribute)和类型属性(Type Attribute)。

3.2 栈内存对齐

待整理。

3.3 位域对齐

待整理。