嵌入式C语言的字节对齐理解（图文）

最新推荐文章于 2023-12-04 11:57:53 发布

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#C字节对齐 #嵌入式C

本文深入探讨了字节对齐的概念，解释了计算机为何需要对齐以及对齐如何影响内存使用和性能。通过实例展示了不同数据结构在内存中的对齐方式，以及如何通过预编译指令调整对齐策略。

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　1.字节对齐？

对齐跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址正好位于系统长度的整数倍，他就被称做自然对齐。比如在32位cpu下，假设一个整型变量的地址为0x00000004，那它就是自然对齐的。

　2. 计算机为什么要对齐？

　　需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。假设上面整型变量的地址不是自然对齐，比如为0x00000002，则CPU如果取它的值的话需要访问两次内存，第一次取从0x00000002-0x00000003的一个short，第二次取从0x00000004-0x00000005的一个short然后组合得到所要的数据，如果变量在0x00000003地址上的话则要访问三次内存，第一次为char，第二次为short，第三次为char，然后组合得到整型数据。而如果变量在自然对齐位置上，则只要一次就可以取出数据。

　　3. 一个对齐的例子

　　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适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法，比如写入预编译指令#pragma pack(2)，即告诉编译器按两字节对齐。

　　但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以，如果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，比如以下程序：

#include <stdio.h>

void main(){

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

    printf( "size of struct A = %d \n", sizeof(struct A) );

}

输出结果为：8字节。

如果我们将结构体中的变量声明位置稍加改动（并不改变变量本身），请再看以下程序：

#include <stdio.h>

void main(){

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

    printf( "size of struct A = %d \n", sizeof(struct A) );

}

　　输出结果为：12字节。

　　问题出来了，他们都是同一个结构体，为什么占用的内存大小不同呢？为此，我们需要对对齐算法有所了解。

4. 对齐算法

　　首先，我们给出四个概念：

　　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）指定对齐值：预编译命令#pragma pack （value）指定的对齐值value。

　　3）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。

　　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的那个值。

　　设结构体如下定义：

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

　　a是char型数据，占用1字节内存；short型数据，占用2字节内存；int型数据，占用4字节内存。因此，结构体A的自身对齐值为4。于是，a和b要组成4个字节，以便与c的4个字节对齐。而a只有1个字节，a与b之间便空了一个字节。我们知道，结构体类型数据是按顺序存储结构一个接一个向后排列的，于是其存储方式为：

　　其中空白方格无数据，是浪费的内存空间，共占用8字节内存。

　　实际上，为了更加明显地表示“对齐”，我们可以将以上结构想象为以下的行排列：

　　对于另一个结构体定义：

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

　　其内存存储方式为：

　　同样把它想象成行排列：

　　可见，浪费的空间更多。

　　其实，除了结构体之外，整个程序在给每个变量进行内存分配时都会遵循对齐机制，也都会产生内存空间的浪费。但我们要知道，这种浪费是值得的，因为它换来的是效率的提高。

　　以上分析都是建立在程序默认的对齐值基础之上的，我们可以通过添加预定义命令#pragma pack(value)来对对齐值进行自定义，比如#pragma pack(1)，对齐值变为1，此时内存紧凑，不会出现内存浪费，但效率降低了。效率之所以降低，是因为：如果存在更大字节数的变量时（比1大），比如int类型，需要进行多次读周期才能将一个int数据拼凑起来。

本文参考：https://www.cnblogs.com/ningvsban/p/3940153.html 非常感谢博主分享！