分类： LINUX
2008-12-30 23:16:31
| 首先，至少有一点可以 它们的声明顺序依次递增的 这样一个结构体： | 肯定，那就是ANSI C保证结构体 ，并且第一个字段的首地址等于 | 中各字段在内存中出现的位置是随 整个结构体实例的首地址。比如有 |
| struct vector{int x,y,z;} s; |
| int *p,*q,*r; |
| struct vector *ps; |
| p = &s.x; |
| q = &s.y; |
| r = &s.z; |
| ps = &s; |
| assert(p < q); |
| assert(p < r); |
| assert(q < r); |
| assert((int*)ps == p); |
| // 上述断言一定不会失败 |
| 这时，有朋友可能会问 C没有做出保证，你的程序 勾勒出一幅更清晰更精确的 时抽身，关注一下另一个重 | :"标准是否规定相邻字段在内存 在任何时候都不应该依赖这个假 结构体内存布局图？哦，当然不 要问题————内存对齐。 | 中也相邻?"。 唔，对不起，ANSI 设。那这是否意味着我们永远无法 是。不过先让我们从这个问题中暂 |
| 许多实际的计算机系统对基本类型数 的首地址的值是某个数k(通常它为4或8) 该数据类型的对齐模数(alignment modul 模数的比值是大于1的整数，我们就称类 种强制的要求一来简化了处理器与内存之 比如这么一种处理器，它每次读写内存的 字节的数据，假如软件能保证double类型 类型数据就只需要一次内存操作。否则， 为数据或许恰好横跨在两个符合对齐要求 求的情况下可能会出错，但是Intel的IA3 不过Intel奉劝大家，如果想提升性能， 台下的微软C编译器(cl.exe for 80x86) 型T的对齐模数就是T的大小，即sizeof(T 的地址总是8的倍数，而char类型数据(1 行的是另外一套规则(在资料中查得，并 吗?)的数据类型(比如short)的对齐模数 long,double)都以4为对齐模数。 | 据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据 的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为 us)。当一种类型S的对齐模数与另一种类型T的对齐 型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽松)。这 间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。 时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个 的数据都从8倍数地址开始，那么读或写一个double 我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因 的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要 2架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。 那么所有的程序数据都应该尽可能地对齐。Win32平 在默认情况下采用如下的对齐规则: 任何基本数据类 )。比如对于double类型(8字节)，就要求该类型数据 字节)则可以从任何一个地址开始。Linux下的GCC奉 未验证，如错误请指正):任何2字节大小(包括单字节 是2，而其它所有超过2字节的数据类型(比如 |
| 现在回到我们关心的struct上来。AN 及字段之间或字段尾部的填充区大小之和 存对齐要求而额外分配给结构体的空间。 准规定结构体类型的对齐要求不能比它所 非强制要求，VC7.1就仅仅是让它们一样 Intel Celeron 2.4G + WIN2000 PRO + v /pack选项): | SI C规定一种结构类型的大小是它所有字段的大小以 。嗯？填充区？对，这就是为了使结构体字段满足内 那么结构体本身有什么对齐要求吗？有的，ANSI C标 有字段中要求最严格的那个宽松，可以更严格(但此 严格)。我们来看一个例子(以下所有试验的环境是 c7.1，内存对齐编译选项是"默认"，即不指定/Zp与 |
| typedef struct ms1 |
| { |
| char a; |
| int b; |
| } MS1; |
| 假设MS1按如下方式内存布局(本文所有示意图中的内存地址从左至右递增): |
| _____________________________ |
| | | | |
| | a | b | |
| | | | |
| +---------------------------+ |
| Bytes: 1 4 |
| 因为MS1中有最强对齐 ，MS1对象的首地址一定是4 足int类型的对齐要求吗？ 癖好呢？呵呵，经过1毫秒 | 要求的是b字段(int)，所以根据 (int类型的对齐模数)的倍数。 嗯，当然不能。如果你是编译器 的艰苦思考，你一定得出了如下 | 编译器的对齐规则以及ANSI C标准 那么上述内存布局中的b字段能满 ，你会如何巧妙安排来满足CPU的 的方案： |
| _______________________________________ |
| | |\| | |
| | a |padding| b | |
| | |\| | |
| +-------------------------------------+ |
| Bytes: 1 3 4 |
| 这个方案在a与b之间多分配了3个填 足4字节的对齐要求时，b字段也一定能满 应该是8，而b字段相对于结构体首地址的 字段交换一下顺序: | 充(padding)字节，这样当整个struct对象首地址满 足int型的4字节对齐规定。那么sizeof(MS1)显然就 偏移就是4。非常好理解，对吗？现在我们把MS1中的 |
| typedef struct ms2 |
| { |
| int a; |
| char b; |
| } MS2; |
| 或许你认为MS2比MS1的情况要简单，它的布局应该就是 |
| _______________________ |
| | | | |
| | a | b | |
| | | | |
| +---------------------+ |
| Bytes: 4 1 |
| 因为MS2对象同样要满 一定也是4字节对齐。嗯， 型的数组会出现什么问题。 小一定等于一个单独的该类 会有空隙。按照上面的方案 | 足4字节对齐规定，而此时a的地 分析得有道理，可是却不全面。 C标准保证，任何类型(包括自定 型数据的大小乘以数组元素的个 ，一个MS2数组array的布局就是 | 址与结构体的首地址相等，所以它 让我们来考虑一下定义一个MS2类 义结构类型)的数组所占空间的大 数。换句话说，数组各元素之间不 : |
| |<- array[1] ->|<- array[2] ->|<- array[3] ..... |
| ____________________ | ____________________________ | __________ |
| | | | | | |
| | a | b | | a | b |.. | ........... |
| | | | | | |
| +------------------------------- | --------------------------- |
| Bytes: 4 1 4 1 |
| 当数组首地址是4字节对齐时，array array[3].a ....呢？可见这种方案在定 对齐规定，必须修改成如下形式: | [1].a也是4字节对齐，可是array[2].a呢？ 义结构体数组时无法让数组中所有元素的字段都满足 |
| ___________________________________ |
| | | |\| |
| | a | b |padding| |
| | | |\| |
| +---------------------------------+ |
| Bytes: 4 1 3 |
| 现在无论是定义一个单 齐规定。那么sizeof(MS2) | 独的MS2变量还是MS2数组，均能 仍然是8，而a的偏移为0，b的偏 | 保证所有元素的所有字段都满足对 移是4。 |
| 好的，现在你已经掌握 。 | 了结构体内存布局的基本准则， | 尝试分析一个稍微复杂点的类型吧 |
| typedef struct ms3 |
| { |
| char a; |
| short b; |
| double c; |
| } MS3; |
| 我想你一定能得出如下正确的布局图: |
| padding |
| | |
| _____v_________________________________ |
| | || |\| | |
| | a || b |padding| c | |
| | || |\| | |
| +-------------------------------------+ |
| Bytes: 1 1 2 4 8 |
| sizeof(short)等于2，b字段应从偶 sizeof(double)等于8，c字段要从8倍数 bytes，所以b后面再填充4个字节就可以 偏移是2，c的偏移是8。接着看看结构体 | 数地址开始，所以a的后面填充一个字节，而 地址开始，前面的a、b字段加上填充字节已经有4 保证c字段的对齐要求了。sizeof(MS3)等于16，b的 中字段还是结构类型的情况: |
| typedef struct ms4 |
| { |
| char a; |
| MS3 b; |
| } MS4; |
| MS3中内存要求最严格 ，a字段后面应填充7个字节 | 的字段是c，那么MS3类型数据的 ，因此MS4的布局应该是: | 对齐模数就与double的一致(为8) |
| _______________________________________ |
| | |\| | |
| | a |padding| b | |
| | |\| | |
| +-------------------------------------+ |
| Bytes: 1 7 16 |
| 显然，sizeof(MS4)等于24，b的偏移等于8。 |
| 在实际开发中，我们可 /Zpn(VC7.1中n可以是1、2 所有小于等于n字节的基本 的对齐模数被限制为n。事 选项的描述，会发现它郑重 要在16位平台上指定/Zp4和 重新分析上面4种结构体的 | 以通过指定/Zp编译选项来更改 、4、8、16)就是告诉编译器最 数据类型的对齐规则与默认的一 实上，VC7.1的默认对齐选项就 告诫了程序员不要在MIPS和Alph /Zp8(想想为什么？)。改变编译 内存布局将是一个很好的复习。 | 编译器的对齐规则。比如指定 大对齐模数是n。在这种情况下， 样，但是大于n个字节的数据类型 相当于/Zp8。仔细看看MSDN对这个 a平台上用/Zp1和/Zp2选项，也不 器的对齐选项，对照程序运行结果 |
| 到了这里，我们可以回答本文提出的 作系统、编译器及编译时的对齐选项，而 能要被不同的人用不同的编译器编译(试 必需，否则你的程序永远也不要依赖这些 个模块是用不同的对齐选项分别编译的， 程序确实有很难理解的行为，不防仔细检 | 最后一个问题了。结构体的内存布局依赖于CPU、操 你的程序可能需要运行在多种平台上，你的源代码可 想你为别人提供一个开放源码的库)，那么除非绝对 诡异的内存布局。顺便说一下，如果一个程序中的两 那么它很可能会产生一些非常微妙的错误。如果你的 查一下各个模块的编译选项。 |
| 思考题:请分析下面几 声明顺序的方法以尽量节省 | 种结构体在你的平台上的内存布 内存空间。 | 局，并试着寻找一种合理安排字段 |
| A. struct P1 { int a; char b; in | t c; char d; }; |
| B. struct P2 { int a | ; char b; char c; int d; }; |
| C. struct P3 { short | a[3]; char b[3]; }; |
| D. struct P4 { short a[3]; char | *b[3]; }; |
| E. struct P5 { struc | t P2 *a; char b; struct P1 a | [2]; }; |
