C/C++中的内存补齐机制

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#编译器 #struct #alignment #网络协议 #编程 #float

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本文详细解析了C语言中结构体的内存对齐规则及其影响因素，包括基本数据类型和复合数据类型的对齐方式，并提供了实例代码进行说明。

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      在C语言中，结构是一种复合数据类型，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、联合等）的数据单元。在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间。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结构的地址相同。例如，下面的结构各成员空间分配情况：
struct test
{
   char x1;
   short x2;
   float x3;
   char x4;
};
结构的第一个成员x1为char类型，其自然对界为1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其自然对界为2，起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然对界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对界，是该结构所有成员中要求的最大对界单元，因而test结构的自然对界条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

      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：
   · __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。
以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一种方式较为常见。
http://blog.youkuaiyun.com/wenddy112/articles/300583.aspx

应用实例
　　在网络协议编程中，经常会处理不同协议的数据报文。一种方法是通过指针偏移的方法来得到各种信息，但这样做不仅编程复杂，而且一旦协议有变化，程序修改起来也比较麻烦。在了解了编译器对结构空间的分配原则之后，我们完全可以利用这一特性定义自己的协议结构，通过访问结构的成员来获取各种信息。这样做，不仅简化了编程，而且即使协议发生变化，我们也只需修改协议结构的定义即可，其它程序无需修改，省时省力。下面以TCP协议首部为例，说明如何定义协议结构。其协议结构定义如下：

#pragma pack(1) // 按照1字节方式进行对齐
struct TCPHEADER
{
     short SrcPort; // 16位源端口号
     short DstPort; // 16位目的端口号
     int SerialNo; // 32位序列号
     int AckNo; // 32位确认号
     unsigned char HaderLen : 4; // 4位首部长度
     unsigned char Reserved1 : 4; // 保留6位中的4位
     unsigned char Reserved2 : 2; // 保留6位中的2位
     unsigned char URG : 1;
     unsigned char ACK : 1;
     unsigned char PSH : 1;
     unsigned char RST : 1;
     unsigned char SYN : 1;
     unsigned char FIN : 1;
     short WindowSize; // 16位窗口大小
     short TcpChkSum; // 16位TCP检验和
     short UrgentPointer; // 16位紧急指针
};
#pragma pack() // 取消1字节对齐方式

下面有一道在优快云论坛上讨论火热的题：

#pragma pack(8)
struct s1{
short a;
long b;
};
struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};
#pragma pack()
问
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c后面空了几个字节接着是d?

结果如下：
sizeof(S2)结果为24.
成员对齐有一个重要的条件,即每个成员分别对齐.即每个成员按自己的方式对齐.
也就是说上面虽然指定了按8字节对齐,但并不是所有的成员都是以8字节对齐.其对齐的规则是,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(这里是8字节)中较小的一个对齐.并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节.
S1中,成员a是1字节默认按1字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1字节对齐;成员b是4个字节,默认是按4字节对齐,这时就按4字节对齐,所以sizeof(S1)应该为8;
S2 中,c和S1中的a一样,按1字节对齐,而d 是个结构,它是8个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个,S1的就是4.所以,成员d就是按4字节对齐.成员e是8个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8字节的边界上,这时,已经使用了12个字节了,所以又添加了4个字节的空,从第16个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24个字节.
a b
S1的内存布局：11**,1111,
c S1.a S1.b d
S2的内存布局：1***,11**,1111,****11111111
这里有三点很重要:
1.每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度
2.复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂类型时,可以最小化长度
3.对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐

补充一下,对于数组,对齐方式为元素的对齐方式。比如:
char a[3];这种,它的对齐方式和分别写3个char是一样的.也就是说它还是按1个字节对齐.
如果写: typedef char Array3[3];
Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度.
不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个.
struct s1
{
char a[8];
};
struct s2
{
double d;
};
struct s3
{
s1 s;
char a;
};
struct s4
{
s2 s;
char a;
};
cout<<sizeof(s1)<<endl;//8
cout<<sizeof(s2)<<endl;//8
cout<<sizeof(s3)<<endl;//9
cout<<sizeof(s4)<<endl;//16;
s1和s2大小虽然都是8，但是s1的对齐方式是1，s2是8（double），所以在s3和s4中才有这样的差异。
所以，在自己定义结构体的时候，如果空间紧张的话，最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。

Union的对齐方式：为成员中最大的对齐方式，长度为按照这个对齐方式调整最长成员得到的长度。
union u
{
double a;
int b;
};
union u2
{
char a[13];
int b;
};
union u3
{
char a[13];
char b;
};
cout<<sizeof(u)<<endl;//8
cout<<sizeof(u2)<<endl;//16
cout<<sizeof(u3)<<endl;//13
都知道union的大小取决于它所有的成员中，占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说，大小就是最大的double类型成员a了，所以 sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3，最大的空间都是char[13]类型的数组，为什么u3的大小是13，而 u2是16呢？关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在，使u2的对齐方式变成4，也就是说，u2的大小必须在4的对界上，所以占用的空间变成了16（最接近13的对界）。

结论：复合数据类型，如union，struct，class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。

顺便提一下CPU对界问题，32的C++采用8位对界来提高运行速度，所以编译器会尽量把数据放在它的对界上以提高内存命中率。对界是可以更改的，使用#pragmapack(x)宏可以改变编译器的对界方式，默认是8。C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。例如，指定编译器按2对界，int类型的大小是4，则int的对界为2和4中较小的2。在默认的对界方式下，因为几乎所有的数据类型都不大于默认的对界方式8（除了 longdouble），所以所有的固有类型的对界方式可以认为就是类型自身的大小。 www. 更改一下上面的程序：
#pragmapack(2)
union u2
{
char a[13];
int b;
};
union u3
{
char a[13];
char b;
};
#pragmapack(8)
cout<<sizeof(u2)<<endl;//14
cout<<sizeof(u3)<<endl;//13
由于手动更改对界方式为2，所以int的对界也变成了2，u2的对界取成员中最大的对界，也是2了，所以此时sizeof(u2)=14。
结论：C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。