字節(jié)那些事兒

作者：時間：2016-07-29 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　7、如何控制字節(jié)對齊

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201607/294782.htm

　　控制程序的字節(jié)對齊行為是一個與編譯器相關(guān)的工作。以下編譯指示( directive )被許多編譯器認可：

　　#pragma pack(n)

　　#pragma pack()

　　任何處于這兩個編譯指示語句之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將采用 n 字節(jié)的數(shù)據(jù)對齊方式。 n 是一個可以指定的數(shù)字，取值范圍請參閱所使用編譯器的文檔，通常都會取值為 2 的冪?，F(xiàn)代編譯器在對程序進行編譯時，處于效率方面的考慮，會對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局使用一個默認的字節(jié)對齊值，這個值一般都可以在命令行上顯式指定。如果要在一個頭文件 / 源文件中對特定的部分指定對齊屬性，則需要上述的編譯指示。結(jié)束指示的寫法在某些編譯器或者平臺下需要寫成：

　　#pragma pack(pop)

　　我們用一個例子來看一下這兩個指示的實際效用，看它究竟是如何影響數(shù)據(jù)的內(nèi)存排列的。假定我們有如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：

　　struct S1

　　{

　　int i;

　　char c;

　　short s;

　　};

　　struct S2

　　{

　　char c;

　　int i;

　　short s;

　　};

　　這兩個結(jié)構(gòu)的成員看起來是一樣的，只不過換了一下順序而已。我們使用 sizeof() 操作符來測量各自占用多少字節(jié)(除非特別指出，均在 32 位平臺上，并認為 int 占用 4 字節(jié)， char 占用 1 字節(jié)， short 占用 2 字節(jié))。答案似乎不可思議， sizeof(S1) 的結(jié)果是 8 ，而 sizeof(S2) 卻是 12 。差異是怎么來的呢?原因就在于編譯器缺省的字節(jié)對齊設(shè)定在發(fā)生作用。

　　這里需要引入以下概念和規(guī)則：

　　概念及規(guī)則一，原生數(shù)據(jù)類型自身對齊值。原生數(shù)據(jù)類型即是 C/C++ 直接支持的數(shù)據(jù)類型，也可以稱為內(nèi)建(built in )數(shù)據(jù)類型。它們的自身對齊值分別為： char 為 1 ， short int 為 2 ， int 、 float 、 double 等為 4 ，不受符號位(即正負)的影響。

　　概念及規(guī)則二，用戶數(shù)據(jù)類型自身對齊值。用戶數(shù)據(jù)類型即由程序員定義的類、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合等，也叫抽象數(shù)據(jù)類型( ADT )。它們的自身對齊值等同于為其成員的對齊值中的最大值。

　　概念及規(guī)則三，用戶指定對齊值。程序員在編譯器命令行上的指定值，或者在 pragma pack 編譯指示中指定的值，對最終數(shù)據(jù)的影響取就近原則(顯然 pragma pack 指示會覆蓋命令行的指定)。

　　概念及規(guī)則四，有效對齊值。取數(shù)據(jù)類型的自身對齊值與用戶指定對齊值中的較小值。此值一旦決出，則會影響到數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的布局。一個有效對齊值為 n ，表示以下事實：相關(guān)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放時，其起始地址的值必須可以被 n 整除。

　　根據(jù)以上四條，可以很圓滿地解釋 S1 和 S2 的大小不同這一現(xiàn)狀。由于沒有使用 pragma pack 指示，那么編譯器(在我的測試環(huán)境下)會采用缺省的對齊值 4 。假設(shè) S1 或者 S2 的實例將從地址 0x0000 處開始。

　　在 S1 中，第一個成員 i 的自身對齊值為 4 ，指定對齊值(盡管是缺省的)也是 4 ，同時 0x0000 這一地址符合被 4 整除的要求，因此， i 將占據(jù) 0x0000 到 0x0003 的四個字節(jié)，下一個可用地址值為 0x0004 ;接下來的成員c 的數(shù)據(jù)類型為 char ，自身對齊值為 1 ，指定對齊值為 4 ，取較小者仍然是 1 ， 0x0004 符合被 1 整除的要求，因此 c 將占據(jù) 0x0004 處的一個字節(jié)，下一個可用地址值為 0x0005 ;最后的一個成員 s 數(shù)據(jù)類型為 short ，自身對齊值為 2 ，指定對齊值為 4 ，有效對齊值取 2 ，但是地址 0x0005 不能符合被 2 整除的要求，因此編譯器作相應(yīng)調(diào)整，向后移動到最近的滿足要求的地址處，即 0x0006 ， s 將占用 0x0006 和 0x0007 處的兩個字節(jié)，由此導(dǎo)致S1 的大小為 8 。

　　在地址 0x0005 處的一個字節(jié)，習(xí)慣上稱之為填充數(shù)據(jù)( padding )。

　　同理可以輕易推出 S2 結(jié)構(gòu)的大小確實是 12 。是這樣嗎?不是的。實際動手的結(jié)果應(yīng)該是 10 。那么 12 應(yīng)該作何解釋?

　　我們來設(shè)想一個場景，程序員用 new 或者 malloc 分配一個 S2 的數(shù)組。不用多，假定有兩個元素，而地址0x0000 處正好有空閑的內(nèi)存可以滿足這一內(nèi)存分配請求。我們都知道，在 C/C++ 語言中，數(shù)組的元素是緊鄰排放的。也就是說，后一個元素的起始地址應(yīng)該正好等于前一個元素的起始地址，并加上元素的大小。我們來檢視一下S2 的情況，它的元素大小為 10 ，它的有效對齊值是 4 (請參閱概念及規(guī)則二)，這表示任何一個 S2 結(jié)構(gòu)的起始地址都應(yīng)該位于 4 的整數(shù)倍處?，F(xiàn)實的情況是，第一個元素的起始地址是 0x0000 ，第二個元素的起始地址變成了0x000A ，而后者的數(shù)值不能滿足被 4 整除的要求。正是為了解決這一情況，編譯器為 S2 結(jié)構(gòu)在結(jié)尾處也增加了兩個字節(jié)的填充，從而滿足各個條件的限定。

　　pragma pack 指示非常有效，使用也比較普遍，但是對于 ARM 平臺，它有一些力所不及的地方，我們再來看一個例子。仍然用 S2 ，這一次，我們強制把它的字節(jié)對齊設(shè)定為 1 ，并同時定義了 S2 的一個全局變量 s2 。也即：

　　#pragma pack(1)

　　struct S2

　　{

　　char c;

　　int i;

　　short s;

　　} s2;

　　#pragma pop()

　　然后，在某處具有如下的數(shù)據(jù)訪問：

　　int i = s2.i;

　　這條看上去稀松平常的語句很可能不能如所希望的那樣執(zhí)行。因為對于 i 的訪問其前提應(yīng)該是 i 的起始地址是 4的倍數(shù)(注意，這個不是對齊規(guī)則的約束結(jié)果，而是 ARM CPU 的數(shù)據(jù)訪問規(guī)則的約束結(jié)果)，但強行指定的 1 字節(jié)對齊則導(dǎo)致 i 的起始地址是一個奇數(shù)。

　　RVCT 編譯器為此做了特別的努力，引入了 __packed 關(guān)鍵字。此關(guān)鍵字應(yīng)用到用戶定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上會導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局取得與 pragma pack(1) 等同的效果，但是，更進一步地，編譯器會把對該結(jié)構(gòu)中成員的訪問作適當(dāng)?shù)奶幚?，發(fā)現(xiàn)不對齊的訪問則會翻譯為調(diào)用適當(dāng)?shù)谋ＷC數(shù)據(jù)正確性的函數(shù)。此關(guān)鍵字也可以應(yīng)用到指針上，以保證經(jīng)由指針對目標(biāo)對象的訪問也采用保守方式。可以預(yù)料到的是，此關(guān)鍵字的使用會降低代碼執(zhí)行的效率，所以需要慎用，一個很典型的使用場景是移植其他平臺的代碼時。以下是一些使用了此關(guān)鍵字的定義示例：

　　typedef __packed struct

　　{

　　char x; // 所有成員都會被 __packed 修飾

　　int y;

　　} X; // 5 字節(jié)的結(jié)構(gòu)，自身對齊值 = 1

　　int f(X* p)

　　{

　　return p->y; // 執(zhí)行一個非對齊的讀取操作

　　}

　　typedef struct

　　{

　　short x;