浅谈计算机按边界对齐存储，现在的64位机是真的64位吗？

前言：在计算机组成原理中，数据在存储器中以边界对齐存储的方式是很常用的。

教材参考：计算机组成原理(第2版) (唐朔飞著) P306

思考：下面来看两段代码（32位C语言环境），你能说出运行的结果吗？

// 代码段1
# include <stdio.h>
typedef struct test
{
	char a;
	char b;
	short c;
	int d;
}t;
int main(){
	t *x;
	printf("%d",sizeof(*x));
}

// 代码段2
#include <stdio.h>
typedef struct test
{
	char a;
	short b;
	char c;
	int d;
}t;
int main(){
	t *x;
	printf("%d",sizeof(*x));
}

答案：结果分别是：8 、12

可以看到，代码段的不同之处在于结构体第2、3个位置分别放的是char,short和short,char，存放顺序的不同为什么会导致结构体的大小不一样呢？这就是边界对齐存储在计算机中的应用。

32位计算机按字编址，1字应为4B。因此按照边界对齐存储规则：半字地址是2整数倍，字地址是4整数倍，双字地址是8整数倍。

相应地，64位计算机按字编址，1字应为8B。因此按照边界对齐存储规则：半字地址是4整数倍，字地址是8整数倍，双字地址是16整数倍。

以此类推。

下面来看下结构体构成：char (1B)、short（2B）、int（4B）。则32位下，半字地址（short）要为2整数倍，字地址（int）要为4整数倍。

① 按第一个代码段来存储，char->char->short->int
分别是1B ( a ) -> 1B ( b ) -> 2B ( c ) -> 4B ( d )：

0x00	0x01	0x02	0x03
a	b	c	c
0x04	0x05	0x06	0x07
d	d	d	d

刚好存满，不需要边界对齐，占用8个存储单元。

② 按第二个代码段来存储，char->short->char->int
分别是1B ( a ) -> 2B ( b ) -> 1B ( c ) -> 4B ( d )：

0x00	0x01	0x02	0x03
a	-	b	b
0x04	0x05	0x06	0x07
c	-	-	-
0x08	0x09	0x0a	0x0b
d	d	d	d

可以看到，由于半字地址（short）在0x01不是2的整数倍，往后移进行对齐；由于字地址（int）在0x05不是4的整数倍，往后移进行对齐，所以占用了12个存储单元。

下面再来看一段代码。

// 代码段3
#include <stdio.h>
typedef struct test
{
	char a;
	short b;
	int d;
	char c;
}t;
int main(){
	t *x;
	printf("%d",sizeof(*x));
}

输出结果：12

对应的存储结构 char->short->int->char
1B ( a ) -> 2B ( b ) -> 4B ( c ) -> 1B ( d )：

0x00	0x01	0x02	0x03
a	-	b	b
0x04	0x05	0x06	0x07
c	c	c	c
0x08	0x09	0x0a	0x0b
d	-	-	-

这个结果可以说明，结构体整体长度是字（32位下1字为4B）的整数倍，尽管0x09-0x0b没有存储内容，但会填写空白进行补齐。

到这里，相信你已经理解了边界对齐的方式，下面来看看拓展的内容。

---

提示：以下内容是在真实的x64计算机中测试，结论并不适用于考研或其他应试类题目

实际上，无论使用x86（32位）还是x64（64位）的C编译器，默认采用下面的这种对齐方式。

结构体里面有64bit的类型那么就使用8字节对齐方式，如果最大的是32bit类型就使用4字节对齐方式，以此类推。而且当struct里面包含struct或者union的时候，被包含的struct或者union的最大基础类长度会传递给上层的struct。

验证一：边界对齐的位数 等于 结构体内字长最大数据类型的位数：

① 下列结构体最长是short，按2B（16位）对齐。

#include <stdio.h>
typedef struct test
{
	short a;   // 2B
	short b;   // 2B
	short c;   // 2B
}t;
int main() {
	t *x;
	printf("%d", sizeof(*x));
}

上述代码在x86环境运行，输出结果是6（理论上按16位是6，按32位是8），说明这个结构体按16位进行边界对齐。

② 下列结构体最长是int，按4B（32位）对齐。

#include <stdio.h>
typedef struct test
{
	int a;  // 4B
	char b; // 1B
	int c;  // 4B
}t;
int main() {
	t *x;
	printf("%d", sizeof(*x));
}

上述代码在x86和x64环境运行，输出结果都是12（理论上按32位是12，按64位是16），说明这个结构体按32位进行边界对齐。

③ 下列结构体最长是double，按8B（64位）对齐。

#include <stdio.h>
typedef struct test
{
	double a;  // 8B
	char b;    // 1B
}t;
int main() {
	t *x;
	printf("%d", sizeof(*x));
}

上述代码在x86和x64环境运行，输出结果都是16（理论上按32位是12，按64位是16），说明这个结构体按64位进行边界对齐。

这可能是为了更高效的利用存储空间而采用的一种折中办法（字是变长的）。在计算机组成原理的很多设计方法中都有体现，例如Cache中的组相联映射便是直接映射和全相联映射的一种折中。

验证二：同一个C程序中，不同结构体可以按不同位长进行边界对齐：

#include <stdio.h>
typedef struct test1   // 32:20  64:24
{
	double a;
	char b;
	int c;
	char d;
}t1;
typedef struct test2   // 32:12  64:16
{
	int a;
	int b;
	int c;
}t2;
int main() {
	t1 *x;
	t2 *y;
	printf("%d\n", sizeof(*x));
	printf("%d", sizeof(*y));
}

上面的注释标明了按32和64位进行对齐理论应该得到的数据，而结果是24和12，说明分别是按64位和32位对齐。

下面补充32位机和64位机的数据字长：

那么我们最终可以得出结论：我们现在所用的64位计算机当然是64位的，只不过为了提高效率，在某些程序片段中会以32位的特性运行。当然，如果你只是为了学习理论，只需要掌握理论的情况即可，不必对现实过多考虑。

最后，感谢你能看到这里，祝大家学业有成，成功上岸。

作者个人博客：515code.com

写于 2021/08/24 凌晨