面試?？?，項目易錯，長文詳解C/C++中的字節(jié)對齊

引入主題,看代碼

我們先來看看以下程序

//編譯器：https://tool.lu/coderunner/
//來源：技術(shù)讓夢想更偉大
//作者：李肖遙
#include?
using?namespace?std;
struct?st1?
{
?char?a?;
?int??b?;
?short?c?;
};

struct?st2
{
??short?c?;
??char??a?;
??int???b?;
};

int?main()
{
?cout<<"sizeof(st1)?->?"<?cout<<"sizeof(st2)?->?"<?
?return?0?;
}

編譯的結(jié)果如下：

問題來了，兩個結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容一樣，只是換了個位置，為什么sizeof(st)的時候大小不一樣呢？

沒錯，這正是因為內(nèi)存對齊的影響，導(dǎo)致的結(jié)果不同。對于我們大部分程序員來說，都不知道內(nèi)存是怎么分布的。

實(shí)際上因為這是編譯器該干的活，編譯器把程序中的每個數(shù)據(jù)單元安排在合適的位置上，導(dǎo)致了相同的變量，不同聲明順序的結(jié)構(gòu)體大小的不同。

幾種類型數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)

int，long int，short int的寬度和機(jī)器字長及編譯器有關(guān),但一般都有以下規(guī)則（ANSI/ISO制訂的）

1. sizeof(short int) <= sizeof(int)
2. sizeof(int) <= sizeof(long int)
3. short int至少應(yīng)為16位（2字節(jié)）
4. long int至少應(yīng)為32位

什么是對齊

現(xiàn)代計算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問都可以從任何地址開始，但實(shí)際情況是在訪問特定變量的時候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問。

所以這就需要各類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。內(nèi)存對齊又分為自然對齊和規(guī)則對齊。

對于內(nèi)存對齊問題，主要存在于struct和union等復(fù)合結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的分布情況，許多實(shí)際的計算機(jī)系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)M（通常是4或8）；

對于內(nèi)存對齊，主要是為了提高程序的性能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，特別是棧，應(yīng)盡可能在自然邊界上對齊，經(jīng)過對齊后，cpu的內(nèi)存訪問速度大大提升。

自然對齊

指的是將對應(yīng)變量類型存入對應(yīng)地址值的內(nèi)存空間，即數(shù)據(jù)要根據(jù)其數(shù)據(jù)類型存放到以其數(shù)據(jù)類型為倍數(shù)的地址處。

例如char類型占1個字節(jié)空間，1的倍數(shù)是所有數(shù)，因此可以放置在任何允許地址處，而int類型占4個字節(jié)空間，以4為倍數(shù)的地址就有0,4,8等。編譯器會優(yōu)先按照自然對齊進(jìn)行數(shù)據(jù)地址分配。

規(guī)則對齊

以結(jié)構(gòu)體為例就是在自然對齊后，編譯器將對自然對齊產(chǎn)生的空隙內(nèi)存填充無效數(shù)據(jù)，且填充后結(jié)構(gòu)體占內(nèi)存空間為結(jié)構(gòu)體內(nèi)占內(nèi)存空間最大的數(shù)據(jù)類型成員變量的整數(shù)倍。

實(shí)驗對比

首先看這個結(jié)構(gòu)體

typedef?struct?test_32
{
?char?a;
?short?b;
?short?c;
?char?d;
}test_32;

首先按照自然對齊，得到如下圖的內(nèi)存分布位置，第一個格子地址為0，后面遞增。

編譯器將對空白處進(jìn)行無效數(shù)據(jù)填充，最后將得到此結(jié)構(gòu)體占內(nèi)存空間為8字節(jié)，這個數(shù)值也是最大的數(shù)據(jù)類型short的2個字節(jié)的整數(shù)倍。

如果稍微調(diào)換一下位置的結(jié)構(gòu)體

typedef?struct?test_32
{
?char?a;
?char?b;
?short?c;
?short?d;
}test_32;

同樣按照自然對齊如下圖分布

可以看到按照自然對齊，變量之間沒有出現(xiàn)間隙，所以規(guī)則對齊也不用進(jìn)行填充，而這里有顏色的方格有6個，也就是6個字節(jié)

按照規(guī)則對齊，6字節(jié)是此結(jié)構(gòu)體中最大數(shù)據(jù)類型short的整數(shù)倍，因此此結(jié)構(gòu)體為6字節(jié)，后面的空白不需理會，可以實(shí)際編譯一下運(yùn)行，結(jié)果和分析一致為6個字節(jié)。

double的情況

我們知道32位處理器一次只能處理32位也就是4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而double是8字節(jié)數(shù)據(jù)類型，這要怎么處理呢？

如果是64位處理器，8字節(jié)數(shù)據(jù)可以一次處理完畢，而在32位處理器下，為了也能處理double8字節(jié)數(shù)據(jù)，在處理的時候?qū)?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(40, 202, 113);">會把double拆分成兩個4字節(jié)數(shù)進(jìn)行處理，從這里就會出現(xiàn)一種情況如下：

typedef?struct?test_32
{
?char?a;
?char?b;
?double?c;
}test_32;?

這個結(jié)構(gòu)體在32位下所占內(nèi)存空間為12字節(jié)，只能拆分成兩個4字節(jié)進(jìn)行處理，所以這里規(guī)則對齊將判定該結(jié)構(gòu)體最大數(shù)據(jù)類型長度為4字節(jié)，因此總長度為4字節(jié)的整數(shù)倍，也就是12字節(jié)。

這個結(jié)構(gòu)體在64位環(huán)境下所占內(nèi)存空間為16字節(jié)，而64位判定最大為8字節(jié)，所以結(jié)果也是8字節(jié)的整數(shù)倍：16字節(jié)。這里的結(jié)構(gòu)體中的double沒有按照自然對齊放置到理論上的8字節(jié)倍數(shù)地址處，我認(rèn)為這里編譯器也有根據(jù)規(guī)則對齊做出相應(yīng)的優(yōu)化，節(jié)省了4個多余字節(jié)。

這部分各位可以按照上述規(guī)則自行分析測試。

數(shù)組

對齊值為：min(數(shù)組元素類型，指定對齊長度)。但數(shù)組中的元素是連續(xù)存放，存放時還是按照數(shù)組實(shí)際的長度。

如char t[9]，對齊長度為1，實(shí)際占用連續(xù)的9byte。然后根據(jù)下一個元素的對齊長度決定在下一個元素之前填補(bǔ)多少byte。

嵌套的結(jié)構(gòu)體

假設(shè)

struct?A
{
??......
??struct?B?b;
??......
};

對于B結(jié)構(gòu)體在A中的對齊長度為：min(B結(jié)構(gòu)體的對齊長度,指定的對齊長度)。

B結(jié)構(gòu)體的對齊長度為：上述2中結(jié)構(gòu)整體對齊規(guī)則中的對齊長度。舉個例子

//編譯器：https://tool.lu/coderunner/
//來源：技術(shù)讓夢想更偉大
//作者：李肖遙
#include?
#include?
using?namespace?std;

#pragma?pack(8)
struct?Args
{
?char?ch;
?double?d;
?short?st;
?char?rs[9];
?int?i;
}?args;

struct?Argsa
{
??char?ch;
??Args?test;
??char?jd[10];
??int?i;
}arga;

int?main()
{
?cout<<"Args:"<?cout<<""<<(unsigned?long)&args.i-(unsigned?long)&args.rs<?cout<<"Argsa:"<?cout<<"Argsa:"<<(unsigned?long)&arga.i?-(unsigned?long)&arga.jd<?cout<<"Argsa:"<<(unsigned?long)&arga.jd-(unsigned?long)&arga.test<?return?0;
}

輸出結(jié)果:

改成#pragma pack (16)結(jié)果一樣，這個例子證明了三點(diǎn):

• 對齊長度長于struct中的類型長度最長的值時,設(shè)置的對齊長度等于無用

• 數(shù)組對齊的長度是按照數(shù)組成員類型長度來比對的

• 嵌套的結(jié)構(gòu)體中,所包含的結(jié)構(gòu)體的對齊長度是結(jié)構(gòu)體的對齊長度

指針

主要是因為32位和64位機(jī)尋址上,來看看例子

//編譯器：https://tool.lu/coderunner/
//來源：技術(shù)讓夢想更偉大
//作者：李肖遙

#include?
#include?
using?namespace?std;

#pragma?pack(4)
struct?Args
{
?int?i;
?double?d;
?char?*p;?
?char?ch;?
?int?*pi;
}args;

int?main()
{????
?cout<<"args?length:"<?cout<<"args1:"<<(unsigned?long)&args.ch-(unsigned?long)&args.p<?cout<<"args2:"<<(unsigned?long)&args.pi-(unsigned?long)&args.ch<?return?0;
}

結(jié)果如下

內(nèi)存對齊的規(guī)則

1. 數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則

結(jié)構(gòu)或聯(lián)合的數(shù)據(jù)成員，第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個數(shù)據(jù)成員的對齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個數(shù)據(jù)成員自身長度中，比較小的那個進(jìn)行。

例如struct a里存有struct b，b里有char，int ，double等元素，那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲。

2. 結(jié)構(gòu)體作為成員

如果一個結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員，則結(jié)構(gòu)體成員要從其內(nèi)部"最寬基本類型成員"的整數(shù)倍地址開始存儲。

在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，結(jié)構(gòu)或聯(lián)合本身也要進(jìn)行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)或聯(lián)合最大數(shù)據(jù)成員長度中，比較小的那個進(jìn)行。

3. 1&2的情況下注意

當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員長度的時候，這個n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。

#pragma pack()用法詳解

• 作用

指定結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合以及類成員的packing alignment;

• 語法

#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )

• 說明

1. pack提供數(shù)據(jù)聲明級別的控制，對定義不起作用；

2. 調(diào)用pack時不指定參數(shù)，n將被設(shè)成默認(rèn)值；

3. 一旦改變數(shù)據(jù)類型的alignment，直接效果就是占用memory的減少，但是performance會下降；

• 語法具體分析

1. show:可選參數(shù)

顯示當(dāng)前packing aligment的字節(jié)數(shù)，以warning message的形式被顯示；

2. push:可選參數(shù)

將當(dāng)前指定的packing alignment數(shù)值進(jìn)行壓棧操作，這里的棧是the internal compiler stack，同時設(shè)置當(dāng)前的packing alignment為n；如果n沒有指定，則將當(dāng)前的packing alignment數(shù)值壓棧；

3. pop:可選參數(shù)

從internal compiler stack中刪除最頂端的record；如果沒有指定n，則當(dāng)前棧頂record即為新的packing alignment數(shù)值；如果指定了n，則n將成為新的packing aligment數(shù)值；如果指定了identifier，則internal compiler stack中的record都將被pop直到identifier被找到，然后pop出identitier，同時設(shè)置packing alignment數(shù)值為當(dāng)前棧頂?shù)膔ecord；如果指定的identifier并不存在于internal compiler stack，則pop操作被忽略；

4. identifier：可選參數(shù)

當(dāng)同push一起使用時，賦予當(dāng)前被壓入棧中的record一個名稱；當(dāng)同pop一起使用時，從internal compiler stack中pop出所有的record直到identifier被pop出，如果identifier沒有被找到，則忽略pop操作；

5. n：可選參數(shù)

指定packing的數(shù)值，以字節(jié)為單位；缺省數(shù)值是8，合法的數(shù)值分別是1、2、4、8、16

例子

#include
#include
using?namespace?std;
?
#pragma?pack(4)
struct?m???
{
?int?a;??
?short?b;
?int?c;
};
int?main()
{
?cout?<<"結(jié)構(gòu)體m的大小:"<?cout?<??
??//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?int?offset_b?=?offsetof(struct?m,?a);

?cout?<<"a相對于m儲存地址的偏移量:"<?system("pause");
?return?0;
}

從運(yùn)行結(jié)果來看我們可以證實(shí)上面內(nèi)存對齊規(guī)則的第一條：第一個數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方。

現(xiàn)在咱來看看上面結(jié)構(gòu)體是如何內(nèi)存對齊的；先用代碼打印它們每個數(shù)據(jù)成員的存儲地址的偏移量

//編譯器：https://tool.lu/coderunner/
//來源：技術(shù)讓夢想更偉大
//作者：李肖遙
#include
#include
using?namespace?std;
?
#pragma?pack(4)
struct?m???
{
?int?a;??
?short?b;
?int?c;
};


int?main()
{
?cout?<<"結(jié)構(gòu)體m的大小:"<?cout?<?int?offset_b?=?offsetof(struct?m,?a);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?int?offset_b1?=?offsetof(struct?m,?b);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?int?offset_b2?=?offsetof(struct?m,?c);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?
?cout?<<"a相對于m儲存地址的偏移量:"<?cout?<"b相對于m儲存地址的偏移量:"?<?cout?<"c相對于m儲存地址的偏移量:"?<?
?//system("pause");
?return?0;
}

在此c在結(jié)構(gòu)體中偏移量為8加上它自身（int）4個字節(jié)，剛好是12（c的開始位置為8，所以要加它的4個字節(jié)）

上面內(nèi)存結(jié)束為11，因為0-11，12是最大對齊數(shù)的整數(shù)倍，故取其臨近的倍數(shù)，所以就取4的整數(shù)倍即12；

上圖中我用連續(xù)的數(shù)組來模仿內(nèi)存，如圖是它們的內(nèi)存對齊圖；

如果將最大內(nèi)存對齊數(shù)改為8，他將驗證內(nèi)存對齊規(guī)則中的第3條。

如果將其改為2，會發(fā)生什么：我們來看看：

//編譯器：https://tool.lu/coderunner/
//來源：技術(shù)讓夢想更偉大
//作者：李肖遙
#include
#include
using?namespace?std;
?
#pragma?pack(2)
struct?m???
{
?int?a;??
?short?b;
?int?c;
};
int?main()
{
?cout?<<"結(jié)構(gòu)體m的大小:"<?cout?<?int?offset_b?=?offsetof(struct?m,?a);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?int?offset_b1?=?offsetof(struct?m,?b);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?int?offset_b2?=?offsetof(struct?m,?c);//?獲得成員a相對于m儲存地址的偏移量
?
?cout?<<"a相對于m儲存地址的偏移量:"<?cout?<"b相對于m儲存地址的偏移量:"?<?cout?<"c相對于m儲存地址的偏移量:"?<?
?//system("pause");
?return?0;
}

對于這個結(jié)果，我們按剛才第一個例子我所分析的過程來分析這段代碼，得到的是10；

故當(dāng)我們將#pragma pack的n值小于所有數(shù)據(jù)成員長度的時候，結(jié)果將改變。

對齊的作用和原因

各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同。如果不按照適合其平臺要求對數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對齊，可能會在存取效率上帶來損失。

比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型在32位地址存放在偶地址開始的地方，那么一個讀周期就可以讀出；

而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會需要2個讀周期，并對兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該int數(shù)據(jù)。那么在讀取效率上下降很多，這也是空間和時間的博弈。

CPU每次從內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)或者指令時，并非想象中的一個一個字節(jié)取出拼接的，而是根據(jù)自己的字長，也就是CPU一次能夠處理的數(shù)據(jù)長度取出內(nèi)存塊?？傊?，CPU會以它“最舒服的”數(shù)據(jù)長度來讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)

舉個例子

如果有一個4字節(jié)長度的指令準(zhǔn)備被讀取進(jìn)CPU處理，就會有兩種情況出現(xiàn)：

1. 4個字節(jié)起始地址剛好就在CPU讀取的地址處，這種情況下，CPU可以一次就把這個指令讀出，并執(zhí)行，內(nèi)存情況如下

2. 而當(dāng)4個字節(jié)按照如下圖所示分布時

假設(shè)CPU還在同一個地址取數(shù)據(jù)，則取到第一個4字節(jié)單元得到了1、2字節(jié)的數(shù)據(jù)，但是這個數(shù)據(jù)不符合需要的數(shù)啊，所以CPU就要在后續(xù)的內(nèi)存中繼續(xù)取值，這才取到后面的4字節(jié)單元得到3、4字節(jié)數(shù)據(jù)，從而和前面取到的1、2字節(jié)拼接成一個完整數(shù)據(jù)。

而本次操作進(jìn)行了兩次內(nèi)存讀取，考慮到CPU做大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和操作，如果遇到這種情況很多的話，將會嚴(yán)重影響CPU的處理速度。

因此，系統(tǒng)需要進(jìn)行內(nèi)存對齊，而這項任務(wù)就交給編譯器進(jìn)行相應(yīng)的地址分配和優(yōu)化，編譯器會根據(jù)提供參數(shù)或者目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)存對齊。

什么時候需要進(jìn)行內(nèi)存對齊.

一般情況下都不需要對編譯器進(jìn)行的內(nèi)存對齊規(guī)則進(jìn)行修改，因為這樣會降低程序的性能，除非在以下兩種情況下：

1. 這個結(jié)構(gòu)需要直接被寫入文件

2. 這個結(jié)構(gòu)需通過網(wǎng)絡(luò)傳給其他程序

對齊的實(shí)現(xiàn)

可以通知給編譯器傳遞預(yù)編譯指令，從而改變對指定數(shù)據(jù)的對齊方法。

unsigned?int?calc_align(unsigned?int?n,unsigned?align)??
{??
????if?(?n?/?align?*?align?==?n)????????????
????????return?n;??
????return??(n?/?align?+?1)?*?align;??
}?

不過這種算法的效率很低，下面介紹一種高效率的數(shù)據(jù)對齊算法：

unsigned?int?calc_align(unsigned?int?n,unsigned?align)??
{??????
????return?((n?+?align?-?1)?&?(~(align?-?1)));??
}??

這種算法的原理是：

(align-1)?：對齊所需的對齊位，如：2字節(jié)對齊為1，4字節(jié)為11，8字節(jié)為111，16字節(jié)為1111...

(&~(align-1))?：將對齊位數(shù)據(jù)置位為0，其位為1

(n+(align-1)) & ~(align-1) ：對齊后的數(shù)據(jù)

總結(jié)

通常，我們寫程序的時候，不需要考慮對齊問題，編譯器會替我們選擇目標(biāo)平臺的對齊策略。

但正因為我們沒注意這個問題，導(dǎo)致編輯器對數(shù)據(jù)存放做了對齊，而我們?nèi)绻涣私獾脑?，就會對一些問題感到迷惑。

所以知其然，更要知其所以然。好了，我們介紹到這里，下一期再見！