字节对齐问题资料小结

为什么要字节对齐？

因为这样方便计算机读取数据。sp是栈指针，指向一个栈的顶，如果计算机要读栈区中的第二个数据值怎么办呢？当然是sp+第二个数据值的偏移地址，但是如何得到这个偏移地址呢？

如果还要计算偏移地址就会降低读取速度，因此，如果我们一开始就规定好一个偏移量，就不用计算了，那当然是选一个最大偏移量了（不然最大字节的数据怎么装进去？）。于是就用字节对齐的方法存放数据。

当然，这会浪费内存，还会照成内存碎片过多，有得必有失。

 一、什么是对齐，以及为什么要对齐：
1. 现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
2. 对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况， 但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为 32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低 字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。
二、对齐的实现
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。
但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为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，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。
对齐的算法：
由于各个平台和编译器的不同，现以本人使用的gcc version 3.2.2编译器（32位x86平台）为例子，来讨论编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐的。
设结构体如下定义：
struct A {
    int a;
    char b;
    short c;
};
结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个。所以A用到的空间应该是7字节。但是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。
所以使用sizeof(strcut A)值为8。
现在把该结构体调整成员变量的顺序。
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
这时候同样是总共7个字节的变量，但是sizeof(struct B)的值却是12。
下面我们使用预编译指令#pragma pack (value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。
#progma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct C)值是8。
修改对齐值为1：
#progma pack (1) /*指定按1字节对齐*/
struct D {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#progma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
sizeof(struct D)值为7。
对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。
这里面有四个概念值：
1)数据类型自身的对齐值：就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。
2)指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值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。
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。
       有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是 数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整 数倍，结合下面例子理解)。这样就不难理解上面的几个例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B {
    char b;
    int a;
    short c;
};
假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指 定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为 4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐 值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存 放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求， 0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B 共有12个字节,sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C {
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续 字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放
在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以 C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

有 了以上的解释，相信你对C语言的字节对齐概念应该有了清楚的认识了吧。在网络程序中，掌握这个概念可是很重要的喔，在不同平台之间（比如在Windows 和Linux之间）传递2进制流（比如结构体），那么在这两个平台间必须要定义相同的对齐方式，不然莫名其妙的出了一些错，可是很难排查的哦^_^。 

 

从80X86结构看内存对齐问题

1 8bit数据总线CPU内存对齐问题：

 8088和80188的数据总线宽度为8bit，一个内存周期只能读取一个字节。每次读取内存都需要给地址总线提供需要读写内存单元的地址。因此，对于char类型数据， 读取只需要访问一次内存；对于int类型数据，读取需要4次访问内存；所以在这种情况下，没有内存对齐的说法。

2 16bit数据总线CPU内存对齐问题

     8086，80186，80286和80386sx都是16bit数据总线的CPU，这样一个内存周期可以读取16bit数据也就是一个字（word），两个字节的数据。在这种CPU中，内存单元被分成了偶单元（even）和奇单元（odd），如下图所示：

图5 奇单元和偶单元

     16bit数据总线中，0-7bit与偶单元相连，8-15bit与奇单元相连。如下图所示：

图6 16bit数据总线内存访问

     每个内存周期，CPU只能读取一个偶单元和一个奇单元。地址总线的地址为偶单元的地址，所以说地址总线的地址永远是2对齐的。

     假如我们读取一个字（Word）数据，该数据是以2对齐的，则一个内存周期即可把它读出开。如果我们读取字（word）数据不是以2对齐的，那么需要读取两个字节周期来完成。比如读取193内存单元中的字，第一个周期中，CPU把地址192放入地址总线，读取其高字节——地址193（16bit数据总线CPU有字节模式）放入地址总线的8-15bit，第二个周期中，CPU把地址194放入地址总线，内存子系统把读取其低字节——地址194，并把其放入地址总线的0-7bit。注意这样一个未对齐字的读取方式不但效率不高，而且得不得想要的结果，CPU会自动的交换0-7bit到8-15bit。

     对于读取一个字节，如果该字节的地址是2对齐的，那么CPU直接把该地址放入地址总线，读取该地址的数据，放入数据总线的0-7bit。如果该字节的地址不是以2对齐的，那么CPU把（该地址-1）的地址放入总线，并读取高字节，放入数据总线的8-15bit，最后CPU自动把8-15bit的数据，交换到0-7bit完成字节的读取。

     对于双字（Double Word）的访问，如果以2对齐，则只需要2个周期即可完成。如果没有以2对齐，则需要3个内存周期来完成，具体原因可以参考字和字节的分析。

 3 32bit数据总线的内存访问

    数据总线和内存的连接如下图所示：

图7 32bit数据总线内存访问

     通过上图和参考上面16bit数据总线CPU的分析，可以看出32bit数据总线在每个内存周期中读取的数据地址都是以4对齐的。

    如果读取一个双字的地址是以4内存对齐的话，一个内存周期即可读出。如果不是以4对齐，则需要两个内存周期来完成操作。

    如果读取一个字的地址对4取模余3的话，那么读取该字需要两个内存周期（CPU会自动完成高位和低位的交换）。如果读取一个字的地址对4取模不余3的话，则只需要一个内存周期即可完成读写。

     对于字节，任何字节地址的访问都是一个内存周期。

 

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。

 

Intel和微软和本公司同时出现的面试题

#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?

感谢 redleaves(ID最吊的网友) 的解答，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,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.