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c++ 内存对齐  

2010-03-06 16:34:58|  分类: windows用户界面 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      首先由一个程序引入话题:

 1 //环境:vc6 + windows sp2
 2 //程序1
 3 #include <iostream>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 struct st1 
 8 {
 9     char a ;
10     int  b ;
11     short c ;
12 };
13 
14 struct st2
15 {
16     short c ;
17     char  a ;
18     int   b ;
19 };
20 
21 int main()
22 {
23     cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
24     cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
25     return 0 ;
26 }
27 

程序的输出结果为:

 sizeof(st1) is 12

        sizeof(st2) is 8 

 

问题出来了,这两个一样的结构体,为什么sizeof的时候大小不一样呢?

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

 

内存对齐,正是因为内存对齐的影响,导致结果不同。

对于大多数的程序员来说,内存对齐基本上是透明的,这是编译器该干的活,编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上,从而导致了相同的变量,不同声明顺序的结构体大小的不同。

 

       那么编译器为什么要进行内存对齐呢?程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)sizeof(st2)结果都应该是74(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后,结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前,先来看下内存对齐的规则:

1、  对于结构的各个成员,第一个成员位于偏移为0的位置,以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、  在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。

 

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则 

St1 char占一个字节,起始偏移为0 int 4个字节,min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) = 4VC6默认8字节对齐),所以int4字节对齐,起始偏移必须为4的倍数,所以起始偏移为4,在char后编译器会添加3个字节的额外字节,不存放任意数据。short2个字节,按2字节对齐,起始偏移为8,正好是2的倍数,无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束,此时的内存状态为:

oxxx|oooo|oo


0123 4567 89 (地址)

x表示额外添加的字节)

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐,对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行,st1结构中最大数据成员长度为int,占4字节,而默认的#pragma pack 指定的值为8,所以结果本身按照4字节对齐,结构总大小必须为4的倍数,需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为:

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab  (地址)

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

 

St2 的对齐方法和st1相同,读者可自己完成。

 

内存对齐的主要作用是:

1、  平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。

2、  性能原因:经过内存对齐后,CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

 

图一:

这是普通程序员心目中的内存印象,由一个个的字节组成,而CPU并不是这么看待的。

 

图二:


CPU把内存当成是一块一块的,块的大小可以是24816字节大小,因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity(粒度) 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

 

假设CPU要读取一个int4字节大小的数据到寄存器中,分两种情况讨论:

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

 

再次假设内存读取粒度为4

 

图三:

当该数据是从0字节开始时,很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节开始时,问题变的有些复杂,此时该int型数据不是位于内存读取边界上,这就是一类内存未对齐的数据。

 

图四:

 

此时CPU先访问一次内存,读取0—3字节的数据进寄存器,并再次读取4—5字节的数据进寄存器,接着把0字节和678字节的数据剔除,最后合并1234字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作,大大降低了CPU性能。

    这还属于乐观情况了,上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因,因为以上操作只有有部分CPU肯干,其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

 

图片来自:Data alignment: Straighten up and fly right 

如大家对内存对齐对性能的具体影响情况,可以参考上文。

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