內存對齊問題

什麼是內存對齊

    考慮下面的結構：

         struct foo
         {
           char c1;
           short s;
           char c2;
           int i;
          };
    
    假設這個結構的成員在內存中是緊湊排列的，假設c1的地址是0，那麼s的地址就應該是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。

    可是，我們在Visual c/c++ 6中寫一個簡單的程序：

         struct foo a;
    printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
    運行，輸出：
         c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

    爲什麼會這樣？這就是內存對齊而導致的問題。

爲什麼會有內存對齊

    以下內容節選自《Intel Architecture 32 Manual》。
    字，雙字，和四字在自然邊界上不需要在內存中對齊。（對字，雙字，和四字來說，自然邊界分別是偶數地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
    無論如何，爲了提高程序的性能，數據結構（尤其是棧）應該儘可能地在自然邊界上對齊。原因在於，爲了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；然而，對齊的內存訪問僅需要一次訪問。
    一個字或雙字操作數跨越了4字節邊界，或者一個四字操作數跨越了8字節邊界，被認爲是未對齊的，從而需要兩次總線週期來訪問內存。一個字起始地址是奇數但卻沒有跨越字邊界被認爲是對齊的，能夠在一個總線週期中被訪問。
    某些操作雙四字的指令需要內存操作數在自然邊界上對齊。如果操作數沒有對齊，這些指令將會產生一個通用保護異常（#GP）。雙四字的自然邊界是能夠被16整除的地址。其他的操作雙四字的指令允許未對齊的訪問（不會產生通用保護異常），然而，需要額外的內存總線週期來訪問內存中未對齊的數據。

編譯器對內存對齊的處理

    缺省情況下，c/c++編譯器默認將結構、棧中的成員數據進行內存對齊。因此，上面的程序輸出就變成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
編譯器將未對齊的成員向後移，將每一個都成員對齊到自然邊界上，從而也導致了整個結構的尺寸變大。儘管會犧牲一點空間（成員之間有空洞），但提高了性能。
也正是這個原因，我們不可以斷言sizeof(foo) == 8。在這個例子中，sizeof(foo) == 12。

如何避免內存對齊的影響

    那麼，能不能既達到提高性能的目的，又能節約一點空間呢？有一點小技巧可以使用。比如我們可以將上面的結構改成：

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
    這樣一來，每個成員都對齊在其自然邊界上，從而避免了編譯器自動對齊。在這個例子中，sizeof(bar) == 8。

    這個技巧有一個重要的作用，尤其是這個結構作爲API的一部分提供給第三方開發使用的時候。第三方開發者可能將編譯器的默認對齊選項改變，從而造成這個結構在你的發行的DLL中使用某種對齊方式，而在第三方開發者哪裏卻使用另外一種對齊方式。這將會導致重大問題。
    比如，foo結構，我們的DLL使用默認對齊選項，對齊爲
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同時sizeof(foo) == 12。
而第三方將對齊選項關閉，導致
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同時sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的對齊選項

    vc6中的編譯選項有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字節邊界對齊，相應的，/Zpn表示以n字節邊界對齊。n字節邊界對齊的意思是說，一個成員的地址必須安排在成員的尺寸的整數倍地址上或者是n的整數倍地址上，取它們中的最小值。也就是：
    min ( sizeof ( member ),  n)
    實際上，1字節邊界對齊也就表示了結構成員之間沒有空洞。
    /Zpn選項是應用於整個工程的，影響所有的參與編譯的結構。
    要使用這個選項，可以在vc6中打開工程屬性頁，c/c++頁，選擇Code Generation分類，在Struct member alignment可以選擇。

    要專門針對某些結構定義使用對齊選項，可以使用#pragma pack編譯指令。指令語法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )
    意義和/Zpn選項相同。比如：

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()

棧內存對齊

    我們可以觀察到，在vc6中棧的對齊方式不受結構成員對齊選項的影響。（本來就是兩碼事）。它總是保持對齊，而且對齊在4字節邊界上。

驗證代碼

#include <stdio.h>

struct foo
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()


int main(int argc, char* argv[])
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;

    struct foo a;
    struct bar b;
    struct foo_pack p;

    printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);

    printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

    printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);

    printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);

    printf("sizeof foo is %d/n", sizeof(foo));
    printf("sizeof bar is %d/n", sizeof(bar));
    printf("sizeof foo_pack is %d/n", sizeof(foo_pack));
    
    return 0;
}

作者Blog：http://blog.csdn.net/hongyang1980/