C/C++ 数据对齐知识摘要

呵呵,有幸再即将离开学校的时候当下C++的助教, 就把在 《Linux 内核设计与实现 第二版》中看到的有关数据对齐的知识摘要了点, 作为学生课外阅读. 希望他们能看进去并引起点学习的兴趣.

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
#include <iomanip>
using std::setw;
using std::left;
// 数据对齐
// 环境: windows 2003 + Intel Celeron CPU 2.53GHz + VC6.0
// 资源参考：《Linux 内核设计与实现 第二版》ISBN：7-111-17865-3/TP.4549
void sizeofClass();

void main()
{
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(bool)"
  <<sizeof(bool)<<endl;    // 1
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(char)"
  <<sizeof(char)<<endl;    // 1
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(short)"
  <<sizeof(short)<<endl;    // 2
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(int)"
  <<sizeof(int)<<endl;    // 4
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(long)"
  <<sizeof(long)<<endl;    // 4
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(float)"
  <<sizeof(float)<<endl;    // 4
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(double)"
  <<sizeof(double)<<endl;    // 8
 //cout <<setw(20)<<"sizeof(long long)"<<sizeof(long long)<<endl;
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(long double)"
  <<sizeof(long double)<<endl;  // 8
 cout <<left<<setw(20)<<"sizeof(void *)"
  <<sizeof(void *)<<endl;    // 4  (指针在32位系统上占4个字节)
 
 struct AAA{
  double aDouble;  /* 8 bytes */
  int aInt;   /* 4 bytes */
  char aChar;   /* 1 byte  */
 };
 struct BBB{
  char aChar;
  double aDouble;
  int aInt;
 };
 
 cout << sizeof(AAA)<<"  "<<sizeof(BBB)<<endl; // 打印 多少　???

 //sizeofClass(); //测试类的内存表示, 感兴趣的可以打开看看结果
} 
/*   
数据对齐

自然对齐：如果一个变量的内存地址正好是它长度的整倍数，它就被称为自然对齐。
    一些体系结构对对齐要求非常严格。通常想基于RISC的系统， 载入未对齐数据会导
致处理器陷入（一种可处理的错误）。还有一些系统可以访问没有对齐的数据，只不过性
能会下降。编写可移植性高的代码要避免对齐问题，保证所有的类型都能够自然对齐。

避免对齐引发的问题

    一个数据类型长度比较小，它本来是对齐的，如果你用一个指针进行类型转换，并且
转换后的数据类型较长，那么通过改指针进行数据访问时就会引发对齐问题。也就是说，
下面的代码是错误的：
 char dob[10];
 char *p = &dog[1];
 unsigned long l = *(unsigned long *)p;
    这个例子将一个指向char型的指针当作指向unsigned long型的指针来用，这会引起问
题，因为此时会试图从一个并不能被4整除的内存地址上载入32的unsigned long型数据。

非标准类型的对齐
    
    前面提到了，对于标准数据类型来说，它的地址只要是其长度的整数倍就对齐了。而非
标准的（复合的）C数据类型按照下列原则对齐：
 1〉对于数组，只要按照基本数据类型进行对齐就可以了（其后的所有元素自然都能够对
齐了）。
 2〉对于联合，只要它包含的长度最大的数据类型能够对齐就可以了。
 3〉对于结构体，只要它包含的长度最大的数据类型能够对齐就可以了。
  结构体还要引入  填补机制，这会引发下一个问题。

结构体填补

 为了保证结构体中每一个成员都能够自然对齐，结构体需要被填补。举例：
 上面的代码中对于结构体 BBB 的定义如下：

    struct BBB{
  char aChar;  // 1 byte
  double aDouble; // 8 bytes
  int aInt;  // 4 bytes
 };

 由于该结构体不能准确地满足各个成员自然对齐，所以它在内存中可不是按照原样存放
的。编译器会在内存中创建一个类似下面的给出的结构体：

 struct BBB{
  char aChar;  // 1 byte
  u8 __pad0[7]; // 7 bytes
  double aDouble; // 8 bytes
  int aInt;  // 4 bytes
  u8 __pad1[4]; // 4 bytes
 };

 填补的变量都是为了让数据自然对齐而加入的。__pad0 是为了让 aDouble 能够自然对
齐而加入的，而其他额外的填补如 __pad1 则是为了让结构体的长度能够被最大元素（aDouble）
的长度 8 整除而加入的。结构体AAA的长度为16，而不是13就是因为后一种填补引起的。
 通常你可以通过重新排列结构中的对象来避免填充或减少填充。像结构体AAA那样，把
元素按长度的大小递减/增的排列后就可以使它占最小的空间了。
 注意：编译器，优化器并不能改变结构体中元素的排列次序。如ANSI C就明确规定不允
许编译器改变结构体内成员对象的次序，它总是由你--程序员来决定。
 并不是所有的结构体进行这样的调整的，比如：该结构体作为一个标准的一部分，或者
它是现有代码的一部分。

*/



////////////// 以下是解释C++中类的内存表示机制

void sizeofClass(){

 class Father{
 private: 
  double aDouble;  /* 8 bytes */
  int aInt;   /* 4 bytes */
 public: 
  char aChar;   /* 1 byte  */
 // 为了print函数指针能够自然对齐 这里自动填补 3 个字节 
  virtual void print()const=0; // 4 bytes 函数指针
  int getInt(){     // 4 bytes 函数指针
   return aInt;
  }
 };

 //虽然Son_0没有声明成员变量，但是所占大小仍然为 24 = 16 + 4 +4
 //是因为父类的成员变量都在子类中保留，但是根据权限
 //描述符而确定是否可以访问，父类中相应的成员函数也在子类中保留，
 //若有新的实现则指向新的代码段，访问权限仍有权限描述符确定。
 class Son_0:public Father{
  //这里仍然保留父类的数据段，故占 8 + 4 + 1 + 3 = 16 bytes
 public:
  //这里仍然保留着父类 getInt 函数指针，故占4个字节，若被重新实现则指向不同代码段
  double getDouble(){ // 4 bytes 函数指针
   return (double)aChar;
  }
 };

 /* 虽然Son_1public继承了Father的数据成员，但仍然可以再声明一个
 public char aChar，因为保留的空间位置不一样。 
 */
 class Son_1:public Father{
 public:
  char aChar;   // 1 byte
  //为了aDouble能自然对齐，这里自动填补 7 个字节
 private:
  double aDouble;  // 8 bytes
  int aInt;   // 4 bytes
  //为了print函数指针能自然对齐，这里自动填补 4 个字节
 public: 
  void print(){  // 4 bytes 函数指针
   cout <<aChar<<endl;
  }
 };

 cout << sizeof(Father) <<"  "<< sizeof(Son_0)<<"  "<< sizeof(Son_1)<<endl;


}