数据对齐存储

本文介绍了计算机内存中数据存储结构,强调了边界对齐的重要性,以减少访问次数和提高效率。讨论了行边界存储原则,结构的存储分配规则,以及数据大小端问题。通过实例解释了如何优化结构布局以减少空间损失,并提到了编译器的对齐设置如`#pragma pack`。

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计算机里面内存的数据存储结构以及为什么要边界对齐

行边界存储

结构的存储分配规则:

数据的大小端问题

参考文献



计算机里面内存的数据存储结构以及为什么要边界对齐

计算机里面的从主存的是有一个个基本的存储单元构成了,每个存储单元存储的二进制数叫做存储字长

目前一般的存储字长都是64位。同时计算机的主存都是按照字节编址,同时一般来说计算机的CPU只能访问偶数的地址

这种问题,造成了计算机的存储边间的问题。

如图所示,如果数据的存储都是紧紧密密的,节约存储空间,那么有可能有些地址无法再某些CPU无法访问,或者是访问需要多次然后进行拼接而成。或者是跨越两个存储单元就进行拼接而成一个数据。

本来CPU就比主存要快很多,如果由于数据的读取问题更让CPU浪费更多的时间,显然是不合理的。


行边界存储

那么为了减少访问次数和平衡空间问题。就要进行边界存储

如图所示,空白的部分的地址是空

### 数据的大小端存储 数据的大小端存储(Endianness)是指多字节数据在内存中的排列顺序。这一概念对于理解计算机系统中数据存储方式至关重要。 - **大端存储**(Big-endian):最高有效字节(MSB)存储在最低地址上。例如,一个32位整数`0x12345678`在大端模式下会按照`0x12 0x34 0x56 0x78`的顺序存储在内存中。 - **小端存储**(Little-endian):最低有效字节(LSB)存储在最低地址上。同样以`0x12345678`为例,在小端模式下会按照`0x78 0x56 0x34 0x12`的顺序存储[^4]。 大小端存储的概念主要影响到跨平台的数据交换和网络通信。在网络协议中,通常采用大端存储作为标准,以便于不同平台之间的兼容性。 ### 内存对齐机制 内存对齐是计算机系统中的一个重要概念,它指的是数据在内存中的存储位置必须按照一定的规则进行对齐对齐是为了提高计算机的存取效率,以及兼容不同硬件平台的要求。具体来说,内存对齐通过将数据按照一定的字节边界存储,以提高内存访问效率并确保硬件正常运行。对齐要求通常由数据类型的大小决定,结构体的对齐要求则由最大成员的对齐要求决定。可以通过 `alignas` 和 `alignof` 控制对齐方式,避免因不对齐而带来的性能下降或硬件异常[^2]。 #### 对齐规则 1. **基本数据类型**:每个基本数据类型都有其特定的对齐要求。例如,`int`类型通常需要4字节对齐,`double`类型可能需要8字节对齐。 2. **结构体**:结构体的对齐要求由其内部成员的最大对齐要求决定。这意味着结构体的整体对齐要求不能低于其任何成员的对齐要求。 #### 示例分析 考虑一个简单的结构体: ```c struct Example { char a; int b; short c; }; ``` 在这个例子中,假设`char`占用1字节,`int`占用4字节,`short`占用2字节。根据对齐规则,`a`后面可能会有3字节的填充,以确保`b`的起始地址是4字节对齐的。同样,`b`之后可能有2字节的填充,以确保`c`的起始地址是2字节对齐的。最终,整个结构体的大小可能是12字节(1 + 3 + 4 + 2),其中包含了必要的填充字节[^4]。 ### 总结 - **大小端存储**决定了多字节数据在内存中的排列顺序,这对于跨平台数据交换和网络通信非常重要。 - **内存对齐**提高了内存访问的效率,并且是许多硬件平台的要求。正确理解和应用内存对齐机制可以优化程序性能和可靠性。
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