内存地址对齐

最新推荐文章于 2021-07-24 20:54:45 发布
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本文探讨了32位机上的内存地址对齐问题，解释了内存构成和对齐规则。内存构成中提到，32位微处理器通常采用4组存储体，数据线一次读取32位。内存对齐包括数据成员对齐和整体对齐规则，对齐系数影响着结构体和联合的布局。举例说明了如何根据对齐规则计算结构体的大小，并指出malloc等函数返回的地址在不同系统上的对齐方式。

做过一些内存地址对齐的题，总觉得理解的不是很清楚，于是决定研究一番，遂有此文。

本文以32位机来说明内存地址对齐问题。


内存构成

通常采用4组存储体，每组存储体存储一个字节。如下图所示，每组数据线对应一个存储体，共4组存储体，32位数据线。

给定一个地址后，一次性读取32位，即4个字节。


比如给定地址0x1004，则，数据X0，X1，X2，X3一起被读出来。然而，如果Y的四个字节以上述形式存放，

这样存放Y的地址为0x100D，此时，仍然是读取0x100C所指向的区域，读取到CPU后，扔掉第一块无用数据，

然后在读取0x1010指向的四块区域，然后扔掉后三块。

 


32 bit microprocessors do not use the address lines A1 and A0for addressing memory

即最低两位地址线不被使用，这样，寻址的时候忽略后两位。比如上述Y的寻址，Y的地址为0x100D，

忽略后两位，取0x100C。所以说如果请求的地址不是4的倍数，读取仍然按照4的倍数进行读取。


内存对齐

对齐定义：数据存储首地址是某个数K的倍数，这个K叫做“对齐系数”。

 

对齐系数：每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令

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// size 1, align 1 int b; // size 4, align 4 double c; // size 8, align 8 }; ``` - 如果边界大小为4（如#pragma pack(4)）： - a: 地址0, size 1 - 填充3字节（地址1-3），使b对齐到地址4 - b: 地址4-7, size 4 - c: 大小8，但边界为4，所以对齐到4字节边界（地址8是4的倍数） - c: 地址8-15, size 8 - 总大小：0(a)+1+3(pad)+4(b)+8(c)=16字节。16是4的倍数，OK。 - 如果边界大小为8（如#pragma pack(8)或默认在64位）： - a: 地址0, size 1 - 填充3字节（地址1-3），使b对齐到地址4（4是4的倍数） - b: 地址4-7, size 4 - c: 大小8，align 8，所以需要对齐到8字节边界。地址7后，地址8是8的倍数。 - c: 地址8-15, size 8 - 总大小：16字节，是8的倍数。 在这个例子中，边界4和8都得到大小16字节。 另一个例子： ```c struct small { char a; // size 1 short b; // size 2, align 2 }; ``` - 边界为4： - a: 地址0, size 1 - 填充1字节（地址1），使b对齐到地址2（2的倍数） - b: 地址2-3, size 2 - 总大小4字节（是2和4的倍数） - 边界为8： - 同样：a:0, pad:1, b:2-3, size 4字节。是8的倍数？4不是8的倍数，所以需要填充到8字节？根据规则，结构体总大小必须是最长对齐成员大小或pack边界的倍数。 在边界为8时： - 成员最大对齐是short的2字节？但pack(8)指定边界8。 根据引用[4]和[3]，整体对齐是pack指定的边界和成员最大对齐中的较大者？标准是：结构体对齐是其成员中最大对齐要求的对齐边界，但pack可以覆盖。 实际规则：在#pragma pack(n)下，结构体的对齐是其成员最大对齐要求的最小值，但总大小必须是n的倍数。 更准确：在pack(n)下，每个成员的对齐是min(n, 成员类型的大小)，但成员类型有自己的自然对齐，pack限制对齐不超过n。然后结构体的对齐是成员中最大对齐，但总大小必须是该最大对齐的倍数或pack指定的倍数？复杂。 参考引用[3]：结构体总大小必须是其最长对齐成员大小的倍数（或编译器指定的对齐参数）。 和引用[4]：pack(n)针对sizeof(type) < n的类型做n字节对齐，针对大于n的类型，做自然对齐。 所以对于struct small： - 成员：char a, align min(pack, natural) = min(n,1) for char, but natural is 1, so align to 1 if pack>=1. 规范： - 每个成员的对齐：min(pack_size, natural_alignment) - 结构体的对齐大小：成员中最大对齐大小 - 结构体总大小必须是结构体对齐大小的倍数（有时需要考虑pack，但通常是的） 在pack(n)下： - 每个成员的对齐边界是 min(n, member_alignment) - 结构体的总大小必须是结构体所有成员最大对齐边界的倍数，并且是n的倍数？不，引用[3]说总大小必须是其最长对齐成员大小的倍数（或编译器指定的对齐参数），其中"最长对齐成员大小"可能是考虑了pack的。 标准实践：在#pragma pack(n)下，结构体的填充规则是每个成员放置时偏移量必须是 min(n, member_size) 的倍数，并且结构体总大小必须是 min(n, max_member_size) 的倍数或其他规则。需要简化。 例如pack(4)和pack(8)的区别： - 当pack值大时，对齐更严格，可能导致更多填充。 - 当pack值小时，对齐更松散，可能减少填充但降低性能。 用户的问题是关于字节边界大小为8和4的区别，所以我们说： 区别主要在于对齐的严格程度和内存效率： - **边界大小为4**：对齐到4字节倍数。这可能减少填充字节，因为许多类型（如int）只需要4字节对齐。在32位系统上常见。 - **边界大小为8**：对齐到8字节倍数。这在64位系统上常见，可以提高double或指针的访问效率，但可能导致更多填充字节，因为较小的类型也需要对齐到更大边界。 性能影响：在支持SIMD或宽总线的平台上，较大边界对齐可以提升内存访问速度。 平台依赖：引用[1]提到，不同硬件平台处理不同，有些要求对齐否则错误。 现在，构建回答： - 结构清晰：先解释区别，然后对比内存使用和性能。 - 使用中文。 - 生成相关问题。 - 引用格式：引用相关段落末尾添加标识。 引用： - [^1] 用于对齐基本概念 - [^2] 用于自然对齐定义 - [^3] 用于结构体规则和示例 - [^4] 用于pack指令 回答结构： 1. 介绍对齐概念。 2. 解释边界大小为4和8的核心区别。 3. 对比影响：内存占用、性能。 4. 示例说明。 5. 总结。 6. 生成相关问题。 确保LaTeX语法正确：如果有数学，用$...$或$$...$$，但这里可能不涉及复杂数学，所以可能不需要。 最后，相关问题基于主题。 </think>### 内存地址对齐中字节边界大小为8和4的区别 内存地址对齐是为了优化CPU访问内存的性能，避免硬件错误或效率损失。字节边界大小（如4或8）指定了数据起始地址必须对齐的倍数（例如，边界为4时地址需被4整除，边界为8时地址需被8整除）。以下是边界大小为8和4的核心区别总结： #### 1. **对齐粒度和严格性** - **边界大小为4**： 数据起始地址必须对齐到4字节的倍数（如地址0x0000、0x0004、0x0008）。 - 适用于类型大小为4字节或更小的数据（如`int`、`float`）。 - 对齐要求较宽松，可能导致较少填充字节。 - 示例：一个`int`变量（32位系统）对齐到地址0x0004（4的倍数），只需一次内存读取周期即可获取数据[^2]。 - **边界大小为8**： 数据起始地址必须对齐到8字节的倍数（如地址0x0000、0x0008、0x0010）。 - 适用于类型大小为8字节的数据（如`double`、64位指针）。 - 对齐要求更严格，可能导致更多填充字节以满足8字节边界。 - 示例：一个`double`变量对齐到地址0x0008（8的倍数），在64位系统上可被高效读取；若存储在0x0004（仅4的倍数），可能需两次读取周期并拼接数据，降低效率[^1]。 #### 2. **内存占用和填充字节** - **边界大小为4**： 结构体总大小只需是其成员中最大对齐大小的倍数（通常为4字节）。填充字节较少，内存利用率较高。 - 示例结构体： ```c struct example4 { char a; // 对齐1字节，大小1 int b; // 对齐4字节，大小4 }; ``` - 对齐分析：`a`地址0（1字节），填充3字节使`b`对齐到地址4；总大小8字节（满足4的倍数）[^3]。 - 内存布局：`[a][pad][b][b][b][b]`（总8字节）。 - **边界大小为8**： 结构体总大小必须是8的倍数（或成员最大对齐大小与8中的较大者）。填充字节可能较多，增加内存开销。 - 同一结构体： ```c struct example8 { char a; // 对齐1字节，大小1 int b; // 对齐4字节（min(8,4)=4），大小4 }; ``` - 对齐分析：`a`地址0（1字节），填充3字节使`b`对齐到地址4；但总大小需为8的倍数，因此末尾填充4字节到地址8；总大小8字节（仍是4的倍数，但强制满足8边界）[^3][^4]。 - 内存布局：`[a][pad][b][b][b][b][pad][pad]`（总8字节）。 - **关键区别**：边界为8时，即使成员最大对齐小于8（如`int`的4字节），结构体仍需填充到8的倍数。这可能在复杂结构体中增加额外填充（如成员包括`char`和`short`时）。 #### 3. **性能影响** - **边界大小为4**： - 在32位系统上效率高：匹配CPU字长（4字节），减少内存访问周期。 - 潜在问题：在64位系统上，8字节类型（如`double`）若未对齐到8边界，可能需要多次读取和数据拼接，降低效率[^1]。 - **边界大小为8**： - 在64位系统上效率高：支持宽总线（64位），单次读取8字节数据。 - 潜在问题：在旧硬件（如不支持8字节对齐的CPU）上可能导致错误或性能下降[^1]。 - **性能对比**： - 边界为8时，对齐要求更严格，适合高性能计算（如SIMD指令）。 - 边界为4时，更适合内存受限环境（如嵌入式系统），但可能牺牲部分访问速度。 #### 4. **平台和应用场景** - **边界大小为4**： - 常见于32位系统和资源有限的设备。 - 编译器默认行为或通过`#pragma pack(4)`指定[^4]。 - **边界大小为8**： - 标准于64位系统（如x86-64或ARMv8），优化大型数据类型处理。 - 编译器默认或通过`#pragma pack(8)`指定；对大于8字节的类型（如`long double`），仍使用自然对齐（如对齐到16字节）[^4]。 - **跨平台差异**： - 硬件要求：某些架构强制对齐（如SPARC要求8字节对齐），而x86较宽松。 - 填充规则：边界为8时更易引入冗余字节，但能避免数据分片访问问题。 #### 总结 - **核心区别**：边界大小8对齐更严格（地址为8的倍数），适合64位系统和大型数据，以减少访问延迟但增加内存占用；边界大小4对齐较宽松（地址为4的倍数），节省内存但可能降低64位系统性能。 - **实际建议**：根据目标平台选择—64位应用推荐边界为8，32位或内存敏感场景用边界为4。编译器指令如`#pragma pack`可动态调整对齐边界[^4]。
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