内存字节对齐

注：本文代码测试环境为win7 X64 cpu, 编译器为gcc4.7.1 和 vs2010

 

内存对齐是编译器为了便于CPU快速访问而采用的一项技术

我们先从一个例子开始，对下面的类(或者结构体)

class node

{

char c;

int i;

short s;

}no;

sizeof(no)的值是多少呢，如果你的回答是7(1+4+2)，那么你应该认真阅读下面的内容。可以在编译器上试试，输出的结果是12，这就是内存对齐的结果。

 

为什么要进行内存对齐呢？

1. 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2. 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。                                                                       本文地址

编译器一般按照几个字节对齐呢？本文中两个编译器默认按照类中最大类型长度来对齐，我么也可以使用语句#pragma pack(i)(i = 1,2,4,8,16)来设置对齐字节数目，vs还可以在项目属性-配置属性-c/c++-代码生成-结构成员对齐设置。

 

对齐规则如下：

1. 如果设置了内存对齐为 i 字节，类中最大成员对齐字节数为j，那么整体对齐字节n = min(i, j)  （某个成员的对齐字节数定义：如果该成员是c++自带类型如int、char、double等，那么其对齐字节数=该类型在内存中所占的字节数；如果该成员是自定义类型如某个class或者struct，那个它的对齐字节数 = 该类型内最大的成员对齐字节数《详见实例4》）
2. 每个成员对齐规则：类中第一个数据成员放在offset为0的位置；对于其他的数据成员（假设该数据成员对齐字节数为k），他们放置的起始位置offset应该是 min(k, n) 的整数倍
3. 整体对齐规则：最后整个类的大小应该是n的整数倍
4. 当设置的对齐字节数大于类中最大成员对齐字节数时，这个设置实际上不产生任何效果（实例2）；当设置对齐字节数为1时，类的大小就是简单的把所有成员大小相加

我们通过以下几个实例来分析

实例1：（没有指定对齐字节，则n = 最大成员（int i）的大小4）

class node

{

char c;   //放在位置0，位置区间[0]

int i;      //4 = n, 那么放置起始位置应该是4的倍数，即4，位置区间为[4~7]

short s; //2 < n，那么放置起始位置应该是2的倍数，即8，位置区间为[8~9]

}

此时成员共占用[0~9]10个字节，还要整体对齐，大小应该是4的倍数，即12

 

实例2：（假设指定对齐字节为8，那么n = min(8,4) = 4）

class node

{

int i; //放在位置0，位置区间[0~3]

char c; //1 < n, 那么放置起始位置应该是1的倍数，即4，位置区间为[4]

short s; //2 < n，那么放置起始位置应该是2的倍数，即6，位置区间为[6~7]

}

成员共占据[0~7]8个字节，刚好是4的倍数，因此大小是8

 

实例3：（假设指定对齐字节是2，则n = min(2,4) = 2）

class node

{

char c; //放在位置0，位置区间[0]

int i; //4 > n, 那么放置起始位置应该是2的倍数，即2，位置区间为[2~5]

short s; //2 = n，那么放置起始位置应该是2的倍数，即6，位置区间为[6~7]

}

此时成员共占用[0~7]8个字节，刚好是4的倍数，因此大小是8

 

实例4：（按照默认设置）

class temp
{
    char c;
    int i;
    short s1;
};

由实例1可知，默认对齐情况下，temp的大小是12，temp的对齐字节数是：三个成员取最大的，即为4；

对于node，n = 其三个成员对齐字节数取最大，即等于t的对齐字节数，也就是 4。

class node

{

char c; //放在位置0，位置区间[0]

temp t; //4（temp的对齐字节数） = n, 那么放置起始位置应该是4的倍数，即4，位置区间为[4~15]

short s; //2 < n，那么放置起始位置应该是2的倍数，即16，位置区间为[16~17]

}

此时成员共占用[0~17]18个字节，还要整体对齐，大小应该是4的倍数，因此大小是20

 

实例5：（默然设置）

对于node，n = 其三个成员对齐字节数取最大，即等于d的对齐字节数，也就是 8。

class node

{

temp t; //放在位置0，位置区间[0~11]

double d; //8（temp的对齐字节数） = n, 那么放置起始位置应该是8的倍数，即16，位置区间为[16~23]

short s; //2 < n，那么放置起始位置应该是2的倍数，即24，位置区间为[24~25]

}

此时成员共占用[0~25]26个字节，还要整体对齐，大小应该是8的倍数，因此大小是32.

 

 

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类继承时的内存对齐

 

考虑如下类

class A

{

int i;

char c1;

}

class B:public A

{

char c2;

}

class C:public B

{

char c3;

}

sizeof(C)结果是多少呢，gcc和vs给出了不同的结果，分别是8、16

gcc中：C相当于把所有成员i、c1、c2、c3当作是在一个class内部，(先继承后对齐)

vs中：对于A，对齐后其大小是8；对于B，c2加上对齐后的A的大小是9，对齐后就是12；对于C，c3加上对齐后的B大小是13，再对齐就是16 (先对齐后继承)

关于c++对象继承后的内存布局，更详细的分析可以《深度探索参考c++对象模型》第三章

 

参考资料：

zhyjunfov的ChinaUnix博客：gcc的内存对齐

 

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