内存对齐

    常见内存对齐的宏（计算a以size为倍数的上下界数）

    #define alignment_down(a, size) (a & ( ~(size-1) ) )
    #define alignment_up(a, size)   ((a+size-1) & (~ (size-1)))

本文先介绍内存地址对齐和大小端的概念.

内存地址对齐

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洋名叫做" Byte Alignment".

大部分16位和32位的CPU不允许将字或者长字存储到内存中的任意地址. 比如Motorola 68000不允许将16位的字存储到奇数地址中, 将一个16位的字写到奇数地址将引发异常.

实际上, 对于c中的字节组织, 有这样的对齐规则:

• 单个字节(char)能对齐到任意地址
• 2字节(short)以2字节边界对齐
• 4字节(int, long)以4字节边界对齐

不同CPU的对其规则可能不同, 请参考手册.

为什么会有上述的限制呢? 理解了内存组织, 就会清楚了
CPU通过地址总线来存取内存中的数据, 32位的CPU的地址总线宽度既为32位置, 标为A[0:31]. 在一个总线周期内, CPU从内存读/写32位. 但是CPU只能在能够被4整除的地址进行内存访问, 这是因为: 32位CPU不使用地址总线的A1和A2. (比如ARM, 它的A[0:1]用于字节选择, 用于逻辑控制, 而不和存储器相连, 存储器连接到A[2:31].)

访问内存的最小单位是字节(byte), A0和A1不使用, 那么对于地址来说, 最低两位是无效的, 所以它只能识别能被4整除的地址了. 在4字节中, 通过A0和A1确定某一个字节.

再看看刚才的message结构, 你想想它占了多少字节? 别想当然的以为是10个字节. 实际上它占了12个字节. 不信? 用sizeof(message)看吧. 对于结构体, 编译器会针对起中的元素添加"pad"以满足字节对齐规则. message会被编译器改为下面的形式:

struct Message

{
short opcode;
char subfield;
char pad1; // Pad to start the long word at a 4 byte boundary
long message_length;
char version;
char pad2; // Pad to start a short at a 2 byte boundary
short destination_processor;
char pad3[4]; // Pad to align the complete structure to a 16 byte boundary
};

如果不同的编译器采用不同的对齐规则, 对传递message可就麻烦了.

Byte Endian

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是指字节在内存中的组织，所以也称它为Byte Ordering.   

        对于数据中跨越多个字节的对象, 我们必须为它建立这样的约定:

(1) 它的地址是多少? (2) 它的字节在内存中是如何组织的?

        针对第一个问题，有这样的解释:

        对于跨越多个字节的对象，一般它所占的字节都是连续的, 它的地址等于它所占字节最低地址.(链表可能是个例外, 但链表的地址可看作链表头的地址).

比如: int x, 它的地址为0x100. 那么它占据了内存中的Ox100, 0x101, 0x102, 0x103这四个字节.

        上面只是内存字节组织的一种情况: 多字节对象在内存中的组织有一般有两种约定. 考虑一个W位的整数. 它的各位表达如下:

[Xw-1, Xw-2, ... , X1, X0]

        它的MSB (Most Significant Byte, 最高有效字节)为[Xw-1, Xw-2, ... Xw-8]; LSB (Least Significant Byte, 最低有效字节)为 [X7, X6, ..., X0]. 其余的字节位于MSB, LSB之间. 

        LSB和MSB谁位于内存的最低地址, 即谁代表该对象的地址? 这就引出了大端(Big Endian)与小端(Little Endian)的问题。

        如果LSB在MSB前面, 既LSB是低地址, 则该机器是小端; 反之则是大端. DEC (Digital Equipment Corporation, 现在是Compaq公司的一部分)和Intel的机器一般采用小端. IBM, Motorola, Sun的机器一般采用大端. 当然, 这不代表所有情况. 有的CPU即能工作于小端, 又能工作于大端, 比如ARM, PowerPC, Alpha. 具体情形参考处理器手册.

        举个例子来说名大小端:  比如一个int x, 地址为0x100, 它的值为0x1234567. 则它所占据的0x100, 0x101, 0x102, 0x103地址组织如下图:

 

        0x01234567的MSB为0x01, LSB为0x67. 0x01在低地址(或理解为"MSB出现在LSB前面，因为这里讨论的地址都是递增的), 则为大端; 0x67在低地址则为小端.

认清这样一个事实: C中的数据类型都是从内存的低地址向高地址扩展，取址运算"&"都是取低地址.

下面介绍对齐策略：

有的时候，在脑海中停顿了很久的“显而易见”的东西，其实根本上就是错误的。就拿下面的问题来看：

struct T
{
  char ch ;
  int   i    ;
};

使用sizeof(T)，将得到什么样的答案呢？要是以前，想都不用想，在32位机中，int是4个字节，char是1个字节，所以T一共是5个字节。实践出真知，在VC6中测试了下，答案确实8个字节。哎，反正受伤的总是我，我已经有点麻木了，还是老老实实的接受吧！为什么答案和自己想象的有出入呢？这里将引入内存对齐这个概念。

许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽松)。这种强制的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序数据都应该尽可能地对齐。

ANSI C标准中并没有规定，相邻声明的变量在内存中一定要相邻。为了程序的高效性，内存对齐问题由编译器自行灵活处理，这样导致相邻的变量之间可能会有一些填充字节。对于基本数据类型(int char)，他们占用的内存空间在一个确定硬件系统下有个确定的值，所以，接下来我们只是考虑结构体成员内存分配情况。

Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80×86)的对齐策略：
1) 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
备注：编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能被该基本数据类型所整除的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为上面介绍的对齐模数。
2) 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节（internal adding）；
备注:为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是，则存放本成员，反之，则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。
3) 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要，编译器会在最末一个成员之后加上填充字节（trailing padding）。
备注：结构体总大小是包括填充字节，最后一个成员满足上面两条以外，还必须满足第三条，否则就必须在最后填充几个字节以达到本条要求。

根据以上准则，在windows下，使用VC编译器，sizeof(T)的大小为8个字节。

而在GNU GCC编译器中，遵循的准则有些区别，对齐模数不是像上面所述的那样，根据最宽的基本数据类型来定。在GCC中，对齐模数的准则是：对齐模数最大只能是4，也就是说，即使结构体中有double类型，对齐模数还是4，所以对齐模数只能是1，2，4。而且在上述的三条中，第2条里，offset必须是成员大小的整数倍，如果这个成员大小小于等于4则按照上述准则进行，但是如果大于4了，则结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量（offset）只能按照是4的整数倍来进行判断是否添加填充。
看如下例子：

struct T
{
  char ch ;
  double   d    ;
};

那么在GCC下，sizeof(T)应该等于12个字节。

如果结构体中含有位域(bit-field)，那么VC中准则又要有所更改：
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式（不同位域字段存放在不同的位域类型字节中），Dev-C++和GCC都采取压缩方式；
备注：当两字段类型不一样的时候，对于不压缩方式，例如：

struct N
{
  char c:2 ;
  int    i:4 ;
};

依然要满足不含位域结构体内存对齐准则第2条，i成员相对于结构体首地址的偏移应该是4的整数倍，所以c成员后要填充3个字节，然后再开辟4个字节的空间作为int型，其中4位用来存放i，所以上面结构体在VC中所占空间为8个字节；而对于采用压缩方式的编译器来说，遵循不含位域结构体内存对齐准则第2条，不同的是，如果填充的3个字节能容纳后面成员的位，则压缩到填充字节中，不能容纳，则要单独开辟空间，所以上面结构体N在GCC或者Dev-C++中所占空间应该是4个字节。

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；
备注：
结构体

typedef struct
{
   char c:2 ;
   double i ;
   int c2:4 ;
}N3;

在GCC下占据的空间为16字节，在VC下占据的空间应该是24个字节。
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

ps:

• 对齐模数的选择只能是根据基本数据类型，所以对于结构体中嵌套结构体，只能考虑其拆分的基本数据类型。而对于对齐准则中的第2条，确是要将整个结构体看成是一个成员，成员大小按照该结构体根据对齐准则判断所得的大小。

• 类对象在内存中存放的方式和结构体类似，这里就不再说明。需要指出的是，类对象的大小只是包括类中非静态成员变量所占的空间，如果有虚函数，那么再另外增加一个指针所占的空间即可。