C语言：内存字节对齐详解

转载：
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^_^。



本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/arethe/archive/2008/06/15/2548867.aspx


因为今天和同事谈到了ARM平台下数据总线宽度及对齐方式对程序效率的影响问题
在定义结构数据类型时，为了提高系统效率，要注意字长对齐原则。
1．
先看下面的例子：
#include
#pragma pack(4)
struct A
{
 char a;
 int  b;
};
#pragma pack()

#pragma pack(1)
struct B
{
 char a;
 int  b;
};
#pragma pack()

int main()
{
 
 A a;
 cout< 
 B b;
 cout<}

默认的vc我记得是4字节对齐，而ADS下是一字节对齐。
先谈PC下的对齐：
大家可以看到在ms的vc下按4字节对齐和1字节对齐的结果是截然不同的分别为8和5为什么会有这样的结果呢？这就是x86上字节对齐的作用。为了加快程序执行的速度，一些体系结构以对齐的方式设襁POST http://blog.ycul.com/post.php HTTP/1.0 D?长作为对齐边界。对于一些结构体变量，整个结构要对齐在内部成员变量最大的对齐边界，如A，整个结构以4为对齐边界，所以sizeof(a)为8，而不是5。
如果是原始我们概念下的的A中的成员将会一个挨一个存储 应该只有char+int只有5个字节这个差异就是由于对齐导致的显然我们可以看到 A的对齐要比B浪费3个字节的存储空间那为什么还要采取对齐呢？
那是因为体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。
字节对齐节省了时间。应该是设计者考虑用空间换取时间。
为什么说对齐会提高效率呢节省时间？我想大家要理解的重点之重点就在这里了
在我们常用的PC下总线宽度是32位
1.如果是总线宽度对齐的话
那么所有读写操作都是获取一个<=32位数据可以一次保证在数据总线传输完毕。没有任何的额外消耗。
|1|2|3|4|5|6|7|8|
从1开始这里是a的起始位置,5起始为b的位置 访问的时候
如果访问a一次在总线传输8位其他24位无效的
访问b时则一次在总线上传输32完成
读写均是一次完整
插说一下：读操作先要将读地址放到地址总线上然后下个时钟周期再从外部
存储器接口上读回数据通过数据总线返回需要两个周期
而写操作一次将地址及数据写入相应总线就完成了。
读操作要比写操作慢一半
 
2.我们看访问数据时如果不对齐地址的情况
|1|2|3|4|5|6|7|8|
此时a的地址没变还在1而因为是不对齐则b的位置就在2处
这时访问就带来效率上问题 访问a时没问题还是读会一个字节
但是2处地址因为不是总线宽度对齐一般的CPU在此地址操作将产生error
如sparc，MIPS。它们在硬件的设计上就强制性的要求对齐。在不对齐的地址上肯定发生错误。但是x86是支持非对齐访问的。

它通过多次访问来拼接得到的结果,具体做法就是从1地址处先读回后三字节234 暂存起来。然后再由5地址处读回一个字节5 与234进行拼接组成一个完整的int也就是b返回。
大家看看如此的操作带来的消耗多了不止三倍。很明显在字长对齐时效率要高许多。但然这种效率仅仅是访问多字节带来的。如果还是进行的byte操作那效率差不了多少。

嵌入式开发普遍比较重视性能，所以对齐的问题，有3种不同的处理方法：
1）有一种使用空间换时间做法是显式的插入reserved成员：
         struct A{
           char a;
           char reserved1[3];  //使用空间换时间
           int b;
           
}a;  ==>感觉此种编码方式比较专业，有显式提醒代码阅读者与维护者的功能...
2）随便怎么写，一切交给编译器自动对齐。
3）还有一种将逻辑相关的数据放在一起定义。

代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。下面举个例子：
unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;
最后两句代码，从奇数边界去访问unsignedshort型变量，显然不符合对齐的规定。
在x86上，类似的操作只会影响效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一个error。