内存对齐

什么是内存对齐

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。

为什么要内存对齐

平台原因：

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。

性能原因：

为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

总的来说，内存对齐就是拿空间换取时间的做法，目的是为了让CPU能一次获取到数据，从而提升性能。

#pragma pack()

该预处理指令用来改变对齐参数。在缺省情况下，C编译器为每一个变量或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齐参数：

 

     · 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n字节对齐。

     · 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

 

也可以写成：

#pragma pack(push,n)

#pragma pack(pop)

 

#pragma pack (n)表示每个成员的对齐单元不大于n（n为2的整数次幂）。这里规定的是上界，只影响对齐单元大于n的成员，对于对齐字节不大于n的成员没有影响。

 

内存对齐规则

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#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

规则：
1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

2、结构(或联合)的整体对齐规则：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。

3、结合1、2颗推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

 

内存对齐实例

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

#pragma pack(1)
typedef struct {
　　/*成员对齐*/
 　　int a;     //长度4 < 1 **按1对齐**；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 　　char b;    //长度1 = 1 **按1对齐**；偏移量为4；存放位置区间[4]
 　　short c;   //长度2 > 1 **按1对齐**；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
 　　char d;    //长度1 = 1 **按1对齐**；偏移量为6；存放位置区间[7]
 　　/*整体对齐*/
 　　//整体对齐系数 = min（对齐系数1，最大成员长度4） = 1，无需对齐，整体大小为8；
}test_pack1;
#pragma pack()

 
#pragma pack(2)
typedef struct {
　　 /*成员对齐*/
 　　int a;     //长度4 > 2 **按2对齐**；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 　　char b;    //长度1 < 2 **按1对齐**；偏移量为4；存放位置区间[4]
 　　short c;   //长度2 = 2 **按2对齐**；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 　　char d;    //长度1 < 2 **按1对齐**；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节
　　/*整体对齐*/
　　//整体对齐系数 = min（对齐系数2，最大成员长度4） = 2，将9提升到2的倍数10，整体大小为10；
}test_pack2;
#pragma pack()

#pragma pack(4)
typedef struct {
　　 /*成员对齐*/
 　　int a;     //长度4 = 4 **按4对齐**；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 　　char b;    //长度1 < 4 **按1对齐**；偏移量为4；存放位置区间[4]
 　　short c;   //长度2 < 4 **按2对齐**；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 　　char d;    //长度1 < 4 **按1对齐**；偏移量为7；存放位置区间[8]；总大小为9
　　/*整体对齐*/
　　//整体对齐系数 = min（对齐系数4，最大成员长度4） = 4，将9提升到4的倍数12，整体大小为12；
}test_pack4;
#pragma pack()

#pragma pack(8)
typedef struct {
　　 /*成员对齐*/
 　　int a;     //长度4 < 8 **按4对齐**；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
 　　char b;    //长度1 < 8 **按1对齐**；偏移量为4；存放位置区间[4]
 　　short c;   //长度2 < 8 **按2对齐**；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
 　　char d;    //长度1 < 8 **按1对齐**；偏移量为7；存放位置区间[8]，总大小为9
　　/*整体对齐*/
　　//整体对齐系数 = min（对齐系数8，最大成员长度4） = 4，将9提升到4的倍数12，整体大小为12；
}test_pack8;
#pragma pack()

test_pack1 pack1 = {0x11111111, 0x22, 0x3333, 0x44};
uint8_t *ptrPack1 = (uint8_t *)&pack1;
test_pack2 pack2 = {0x11111111, 0x22, 0x3333, 0x44};
uint8_t *ptrPack2 = (uint8_t *)&pack2;
test_pack4 pack4 = {0x11111111, 0x22, 0x3333, 0x44};
uint8_t *ptrPack4 = (uint8_t *)&pack4;
test_pack8 pack8 = {0x11111111, 0x22, 0x3333, 0x44};
uint8_t *ptrPack8 = (uint8_t *)&pack8;

int main(int argc, char *argv[])
{
　　int i = 0;
　　printf("#pragma pack(1) \tsize:%2d,\t", sizeof(pack1));
　　for(i=0; i<sizeof(pack1); i++)
　　{
        printf("%02x", ptrPack1[i]);
　　}
　　printf("\r\n");

　　printf("#pragma pack(2) \tsize:%2d,\t", sizeof(pack2));
　　for(i=0; i<sizeof(pack2); i++)
　　{
        printf("%02x", ptrPack2[i]);
　　}
　　printf("\r\n");

　　printf("#pragma pack(4) \tsize:%2d,\t", sizeof(pack4));
　　for(i=0; i<sizeof(pack4); i++)
　　{
        printf("%02x", ptrPack4[i]);
　　}
　　printf("\r\n");

　　printf("#pragma pack(8) \tsize:%d,\t", sizeof(pack8));
　　for(i=0; i<sizeof(pack8); i++)
　　{
        printf("%02x", ptrPack8[i]);
　　}
　　printf("\r\n"); 

　　return 0;
}

 

该段测试实例测试同一结构体，为了观察方便，成员的每一个字节值按顺序分别为十六进制0xaa、0xbb、0xcc、0xdd。

分别进行1、2、4、8字节对齐方式对齐，计算其占用内存大小及在内存的排列的结果，具体对齐步骤见代码注释部分。

  

什么时候需要指定内存对齐

一般情况下都不需要对编译器进行的内存对齐规则进行修改，因为这样会降低程序的性能，只有这个结构在涉及到对外交互的情况下，比如这个结构需要对外协议交互、写入文件等。