【內(nèi)存對(duì)齊(一)】#pragma pack的用法及大小的計(jì)算

時(shí)間：2019-08-26 13:54:01

關(guān)鍵字： sizeof pragma

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[導(dǎo)讀]現(xiàn)在的一些處理器，需要你的數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址必須是對(duì)齊（align）的，即使不是必須，如果你對(duì)齊的話，運(yùn)行的速度也會(huì)得到提升。雖然對(duì)齊會(huì)產(chǎn)生的額外內(nèi)存空間，但相對(duì)于這個(gè)速度的提升來(lái)說(shuō)，是值得的。所謂對(duì)

現(xiàn)在的一些處理器，需要你的數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址必須是對(duì)齊（align）的，即使不是必須，如果你對(duì)齊的話，運(yùn)行的速度也會(huì)得到提升。雖然對(duì)齊會(huì)產(chǎn)生的額外內(nèi)存空間，但相對(duì)于這個(gè)速度的提升來(lái)說(shuō)，是值得的。

所謂對(duì)齊，就是地址必須能整除一個(gè)整數(shù)，這個(gè)就是對(duì)齊參數(shù)（alignment value）。合法的取值范圍是1、2、4、6、16、……、8192。

怎樣對(duì)齊呢？編譯器幫你搞定。

怎樣設(shè)置編譯器的對(duì)齊方式呢？用#pragma pack( n )和__declspec(align(#))。

依據(jù)它倆，編譯器是咋工作的？這個(gè)就是接下來(lái)要說(shuō)的了。

#include?
#pragma?pack(?1?)
struct?A
{?????????????
????char?a;
????short?b;
????char?c;
};

int?main()
{
????printf("%dn",sizeof(A));
????return?0;
}
?

OK，下面對(duì)這個(gè)代碼進(jìn)行詳細(xì)的分析。

用MSDN的話一言以蔽之：

“The alignment of a member (except the first one) will be on a boundary that is either a multiple of n or a multiple of the size of the member, whichever is smaller.”

翻譯成中文，也就是：

“結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)成員，除了第一個(gè)是始終放在最開(kāi)始的地方，其它數(shù)據(jù)成員的地址必須是它本身大小或?qū)R參數(shù)兩者中較小的一個(gè)的倍數(shù)?！?/p>

P.S：注意上面所說(shuō)的后面一句話，也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)成員的地址必須是本身大小和對(duì)齊參數(shù)中較小的那一個(gè)。

（1）在pack為1的時(shí)候，對(duì)齊參數(shù)是1，那么我們對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體每一元素進(jìn)行分析。

char a;??????? //??? 第一個(gè)元素在[0]位置處

?short b;?//short兩個(gè)字節(jié)，地址是min(1,sizeof(short))的倍數(shù)，即1的倍數(shù)[1~2]

?char c; // 地址應(yīng)該是min(1,sizeof(1))的倍數(shù)，從而即為[3]

故在pack為1的時(shí)候，輸出的結(jié)果應(yīng)該是4（[0~3]），其中所有的元素都填滿了。

（2）在pack為2的時(shí)候，同樣按照上面的方法，我們繼續(xù)來(lái)分析下。

Char a; //第一個(gè)占[0]位置。

Short b; //min(2,sizeof(short))，也就是必須為2的倍數(shù)，從而[2~3]

Char c;//min(2,sizeof(char))，也就是位1，地址為[4]

因此最后占據(jù)的大小是[0],[2~3],[4]，整個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小size必須是2的倍數(shù)，所以應(yīng)該是6（向上對(duì)齊至2的倍數(shù)）

（3）在pack為4的時(shí)候，同上，得到的結(jié)果是

[0],[2~3],[4],因此也是6.

然后我們對(duì)上面的這個(gè)結(jié)構(gòu)體變換一下順序，可以得到。

struct B

{

???????? char a;

???????? char b;

???????? short c;

};

在#pragma pack(4)的情況下，輸出卻是4（注：上面的輸出時(shí)6）

解釋如下：

Char a;//占據(jù)一個(gè)字節(jié)，地址為【0】

Char b;//地址應(yīng)該是min(4,sizeof(char)) = 1的倍數(shù)，也就是地址為【1】

Short c; //地址應(yīng)該是min(4,sizeof(short)) = 2的倍數(shù)，也就是【2~3】

故總體占據(jù)的是【0~3】的連續(xù)單元，也就是4.

至此，我們對(duì)#prgama pack(n)的用法和對(duì)應(yīng)的判定方法有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。

特別提出：
sizeof(ao.a )還是1，sizeof(ao.b )還是2。

?如果struct B中含有A的一個(gè)對(duì)象m_a，
struct B
{
???…
???A m_a;
???…
}
則這個(gè)m_a對(duì)齊參數(shù)是A中最大的數(shù)據(jù)類(lèi)型的大?。ㄟ@里是short的2）和n中較小者。如果這個(gè)對(duì)齊參數(shù)是B中最大的話，最后B的大小也會(huì)與這個(gè)對(duì)齊參數(shù)有關(guān)。

m_a的對(duì)齊參數(shù)，由于是A的變量，所以采用A的對(duì)齊參數(shù)，也就是應(yīng)該是A的最大元素個(gè)數(shù)和n中較小的值。而B(niǎo)的大小就要根據(jù)這個(gè)對(duì)齊參數(shù)來(lái)確定大小。

#include?
#include?

#define?NUM?1
using?namespace?std;

#pragma?pack?(?16?)

typedef?struct?{
????int?a;
????char?b;
????double?c;
}test;

struct?B
{
????int?a;
????test?b;
};
int?main()
{
????cout?< ????cout?< ????cout?< ????cout?< ????cout?< ????system("PAUSE");
????return?0;
}

?

（1）在pack為1的時(shí)候，由于min中有一個(gè)為1，所以都是相鄰存放的。

Sizeof(test)就是int+char+double的大小之和，即13.

而對(duì)應(yīng)的sizeof(B)則是一個(gè)int和一個(gè)struct之和。Int占4B，而struct的對(duì)齊參數(shù)則是

Min(1,sizeof(max(A)),A中最大的元素師double類(lèi)型的，也就是8，所以結(jié)果是min(1,8)=1,所以也是相鄰存放的，而sizeof（A）的結(jié)果是13，所以直接是13+4 = 17.

此時(shí)，sizeof（B）的大小是17.

（2）?在pack為2的時(shí)候，此時(shí)min中有一個(gè)為2，對(duì)于test結(jié)構(gòu)體，它的大小是4+2+8=14，因?yàn)樵赿ouble的時(shí)候，min（2,8）=2，所以double類(lèi)型的變量應(yīng)該是2的倍數(shù)的地址，造成了char類(lèi)型處空出了一個(gè)字節(jié)?？傮w就是14B。而對(duì)于B結(jié)構(gòu)體而言，一個(gè)int占據(jù)4B，然后結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊參數(shù)采用min(2,max(A)),即min（2,8）= 2，由于是int，所以下一個(gè)地址是4，自然也是2的倍數(shù)，于是還是相鄰存放。而A結(jié)構(gòu)體的大小時(shí)14，于是B結(jié)構(gòu)體的大小時(shí)14+4=18.

（3）?在pack為4的情況下。同樣可以得到。此時(shí)對(duì)于A結(jié)構(gòu)體的大小是4+4+8=16，因?yàn)閐ouble類(lèi)型的必須是4的倍數(shù)，造成了char變量要占4個(gè)地方（實(shí)際只占一個(gè)，只是說(shuō)這個(gè)地方空出來(lái)了3B），所以總體的大小為16.而同樣對(duì)于B結(jié)構(gòu)體，sizeof的結(jié)果是16+4 = 20，因?yàn)閷?duì)于里面的成員要是min(4,8) = 4，而int恰好是4的倍數(shù)，所以相鄰存放。于是就是16,20.

（4）?在pack為8的情況下（有所變化?。。。藭r(shí)A結(jié)構(gòu)體的大小是16，分析方法和上面相同，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)體B而言就有所區(qū)別，此時(shí)int還是4個(gè)字節(jié)，但是對(duì)于成員test結(jié)構(gòu)體，它的對(duì)齊參數(shù)是min(8,max(A)) = min(8,sizeof(double) ) = 8也就是對(duì)齊參數(shù)是8，所以結(jié)構(gòu)體變量要從地址為8開(kāi)始，此時(shí)int就空出來(lái)了4B，從而最后求大小的時(shí)候應(yīng)該是8+sizeof(A)= 8+16=24(最終測(cè)試結(jié)果如此)

（5）在pack為16的情況（以及以后的情況），結(jié)果是：A的大小為16B，而B(niǎo)的大小是24B。

總結(jié)：

（1）?????? 對(duì)于一個(gè)由簡(jiǎn)單類(lèi)型組成的結(jié)構(gòu)體，它的大小是由每一個(gè)成員變量的地址決定的。我們要按照定義的順序，分別求出來(lái)地址開(kāi)始的地方。從地址為0開(kāi)始，每一個(gè)變量都采取min(n,sizeof(x))//x表示該變量的類(lèi)型；來(lái)確定起始地址是多少的倍數(shù)，然后開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到填滿該數(shù)據(jù)。最后求出來(lái)總的大小。而且在pack>=2的時(shí)候最終的大小需要時(shí)2的倍數(shù)，有時(shí)候需要向上取大為2的倍數(shù)。而在pack為1的情況則不需要。

（2）?????? 對(duì)于含有結(jié)構(gòu)體成員的結(jié)構(gòu)體，方法同上，只是在于對(duì)于結(jié)構(gòu)體變量的對(duì)齊參數(shù)取法需要說(shuō)明，具體就是min(n,結(jié)構(gòu)體成員的最大元素的大小)，就像上面的，結(jié)構(gòu)體B中含有A成員，所以對(duì)齊參數(shù)就是min(n,sizeof(double))的大小，然后按照這個(gè)做法來(lái)取地址。

P.S：注意這里是pack而不是package，否則編譯器會(huì)直接忽略#pragma package()，因?yàn)榧词拱l(fā)生錯(cuò)誤編譯器也會(huì)直接忽略，而我們還是會(huì)默認(rèn)認(rèn)為編譯器已經(jīng)當(dāng)做了字節(jié)按照n來(lái)處理。(某些博客上面的內(nèi)容很容易讓人誤解或者暈倒！)

以上代碼結(jié)果在Dev C++ , C-Free 5.0,VS 2010上均通過(guò)測(cè)試。

附注：在默認(rèn)情況下，linux操作系統(tǒng)是以4字節(jié)對(duì)齊，windows操作系統(tǒng)則是以最大的內(nèi)置類(lèi)型對(duì)齊。

作用：指定結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合以及類(lèi)成員的packing alignment;
語(yǔ)法：#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )
說(shuō)明：
1，pack提供數(shù)據(jù)聲明級(jí)別的控制，對(duì)定義不起作用；
2，調(diào)用pack時(shí)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(lèi)型的alignment，直接效果就是占用memory的減少，但是performance會(huì)下降。
語(yǔ)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(shí)設(shè)置當(dāng)前的packing alignment為n；如果n沒(méi)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(méi)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(shí)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(shí)，賦予當(dāng)前被壓入棧中的record一個(gè)名稱(chēng)；當(dāng)同pop一起使用時(shí)，從internal compiler stack中pop出所有的record直到identifier被pop出，如果identifier沒(méi)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。

#include

int main()
{
struct B{
char b; ? //對(duì)其系數(shù)1
int a; ? ? ?//對(duì)其系數(shù)4
short c; ?//對(duì)其系數(shù)2
};//整體對(duì)其系數(shù)4
/*
struct A{
char b; ? //對(duì)其系數(shù)1
int a; ? ? ?//對(duì)其系數(shù)4
struct B f;
short c; ?//對(duì)其系數(shù)2
};//整體對(duì)其系數(shù)4*/
#pragma pack(push) //保存對(duì)齊狀態(tài)
#pragma pack (2)//無(wú)法識(shí)別的預(yù)處理命令

struct person{
/*char dda;
double dda1;
int type;
*/
char b;//整體對(duì)其系數(shù)1
double c; //整體對(duì)其系數(shù)8
char age;//整體對(duì)其系數(shù)1

};//整體對(duì)其系數(shù)8
#pragma pack(pop)//恢復(fù)對(duì)齊狀態(tài)
struct room{
char chair[5];//整體對(duì)其系數(shù)1
int computer;//整體對(duì)其系數(shù)1
struct person children;//整體對(duì)其系數(shù)8
};
int size_r = sizeof(struct room);
int size_p = sizeof(struct person);
printf("size_r = %dnsize_p = %d", size_r,size_p);
getchar();?
}