學習筆記 | 字節對齊

目錄

01 什麼是字節對齊？
02 對齊準則又是什麼？
03 爲什麼要字節對齊呢？
04 字節對齊對我們編程有什麼啓示？

目的

• 瞭解字節對齊，可以知道如何計算類/結構體的大小。

01 什麼是字節對齊？

• 計算機中內存大小的基本單位是字節（byte），理論上來講，可以從任意地址訪問某種基本數據類型，但是實際上，計算機並非逐字節大小讀寫內存，而是以2,4,或8的倍數的字節塊來讀寫內存，如此一來就會對基本數據類型的合法地址作出一些限制，即它的地址必須是2，4或8的倍數。那麼就要求各種數據類型按照一定的規則在空間上排列，這就是對齊。

02 對齊準則又是什麼？

• 自對齊：是指該類型成員的其實位置的內存地址必須是自身長度的整數倍。如：int 類型只能以0、4、8…這類的地址開始。
• 程序指定的對齊值：用命令#pragma pack時指定的對齊值。
• 自定義類型的自身對齊：結構體或類的成員中自身對齊值是成員最大值。
• 自定義類型的有效對齊值：自定義類型的自身對齊和指定對齊值中取較小的值。

字節對齊有以下準則：

• 結構體變量的首地址能夠被其對齊字節數大小所整除。
• 結構體每個成員相對結構體首地址的偏移都是成員大小的整數倍，如不滿足，對前一個成員填充字節以滿足。
• 結構體的總大小爲結構體對齊字節數大小的整數倍，如不滿足，最後填充字節以滿足。

struct MyStruct
{
  char dda; //偏移量爲0，滿足對齊方式，dda佔用1個字節；
  double dda1;//下一個可用的地址的偏移量爲1，不是sizeof(double)=8的倍數，需要補足7個字節才能使偏移量變爲8（滿足對齊方式），因此VC自動填充7個字節，dda1存放在偏移量爲8的地址上，它佔用8個字節。
  int type； //下一個可用的地址的偏移量爲16，是sizeof(int)=4的倍數，滿足int的對齊方式，所以不需要VC自動填充，type存放在偏移量爲16的地址上，它佔用4個字節。
}；
//所有成員變量都分配了空間，空間總的大小爲1+7+8+4=20，不是結構的節邊界數（即結構中佔用最大空間的類型所佔用的字節數sizeof(double)=8）的倍數，所以需要填充4個字節，以滿足結構的大小爲sizeof(double)=8的倍數。所以該結構總的大小爲：sizeof(MyStruc)爲1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個字節是VC自動填充的，沒有放任何有意義的東西。

03 爲什麼要字節對齊呢？

• 無論數據是否對齊，大多數計算機還是能夠正確工作。

那麼爲什麼還要進行字節對齊呢？最重要的考慮是提高內存系統性能。

• 需要字節對齊的根本原因在於CPU訪問數據的效率問題。

• 前面我們也說到，計算機每次讀寫一個字節塊，例如，假設計算機總是從內存中取8個字節，如果一個double數據的地址對齊成8的倍數，那麼一個內存操作就可以讀或者寫，但是如果這個double數據的地址沒有對齊，數據就可能被放在兩個8字節塊中，那麼我們可能需要執行兩次內存訪問，才能讀寫完成。顯然在這樣的情況下，是低效的。所以需要字節對齊來提高內存系統性能。

跨平臺通信

• 由於不同平臺對齊方式可能不同，如此一來，同樣的結構在不同的平臺其大小可能不同，在無意識的情況下，互相發送的數據可能出現錯亂，甚至引發嚴重的問題。因此，爲了不同處理器之間能夠正確的處理消息，我們有兩種可選的處理方法。

1. 1字節對齊
2. 自己對結構進行字節填充

• 我們可以使用僞指令#pragma pack(n)（n爲字節對齊數）來使得結構間一字節對齊。

04 字節對齊對我們編程有什麼啓示？

• 雖然我們不需要具體關心字節對齊的細節，但是如果不關注字節對齊的問題，可能會在編程中遇到難以理解或解決的問題。

因此針對字節對齊，總結了以下處理建議：

• 結構體成員合理安排位置，以節省空間。
• 跨平臺數據結構可考慮1字節對齊，節省空間但影響訪問效率。效率之所以降低，是因爲：如果存在更大字節數的變量時（比1大），比如int類型，需要進行多次讀週期才能將一個int數據拼湊起來。
• 跨平臺數據結構人爲進行字節填充，提高訪問效率但不節省空間。
• 本地數據採用默認對齊，以提高訪問效率。

舉例

#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;
int main(){
 
    struct A{
        char a;
        short b;
        int c;
    };
 
    cout << "size of struct A = " << sizeof(struct A) << endl;;

 
    struct B{
        short b;
        int c;
        char a;
    };
    cout << "size of struct B = " << sizeof(struct B) << endl;;
 
}

輸出：

struct A

struct B