結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊問題

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1、結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊問題結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊問題.txt偶爾要回頭看看，否則永遠都在追尋，而不知道自己失去了什么。男人掏錢是戀人關(guān)系，女人掏錢是夫妻關(guān)系，男女搶著掏錢是朋友關(guān)系。男人愛用眼睛看女人，最易受美貌迷惑；女人愛用心看男人，最易受傷心折磨。當在C中定義了一個結(jié)構(gòu)類型時，它的大小是否等于各字段(field)大小之和？編譯器將如何在內(nèi)存中放置這些字段？ANSIC對結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局有什么要求？而我們的程序又能否依賴這種布局？這些問題或許對不少朋友來說還有點模糊，那么本文就試著探究它們背后的秘密。首先，至少有一點可以肯定

2、，那就是ANSIC保證結(jié)構(gòu)體中各字段在內(nèi)存中出現(xiàn)的位置是隨它們的聲明順序依次遞增的，并且第一個字段的首地址等于整個結(jié)構(gòu)體實例的首地址。比如有這樣一個結(jié)構(gòu)體：structvector{intx,y,z;}s;int*p,*q,*r;structvector*ps;p=&s.x;q=&s.y;r=&s.z;ps=&s;assert(p

3、。唔，對不起，ANSIC沒有做出保證，你的程序在任何時候都不應(yīng)該依賴這個假設(shè)。那這是否意味著我們永遠無法勾勒出一幅更清晰更精確的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局圖？哦，當然不是。不過先讓我們從這個問題中暫時抽身，關(guān)注一下另一個重要問題————內(nèi)存對齊。許多實際的計算機系統(tǒng)對基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個數(shù)k(通常它為4或8)的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對齊，而這個k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對齊模數(shù)(alignmentmodulus)。當一種類型S的對齊模數(shù)與另一種類型T的對齊模數(shù)的比值是大于

4、1的整數(shù)，我們就稱類型S的對齊要求比T強(嚴格)，而稱T比S弱(寬松)。這種強制的要求一來簡化了處理器與內(nèi)存之間傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，二來可以提升讀取數(shù)據(jù)的速度。比如這么一種處理器，它每次讀寫內(nèi)存的時候都從某個8倍數(shù)的地址開始，一次讀出或?qū)懭?個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假如軟件能保證double類型的數(shù)據(jù)都從8倍數(shù)地址開始，那么讀或?qū)懸粋€double類型數(shù)據(jù)就只需要一次內(nèi)存操作。否則，我們就可能需要兩次內(nèi)存操作才能完成這個動作，因為數(shù)據(jù)或許恰好橫跨在兩個符合對齊要求的8字節(jié)內(nèi)存塊上。某些處理器在數(shù)據(jù)不滿足對齊要求的情況下可能會

5、出錯，但是Intel的IA32架構(gòu)的處理器則不管數(shù)據(jù)是否對齊都能正確工作。不過Intel奉勸大家，如果想提升性能，那么所有的程序數(shù)據(jù)都應(yīng)該盡可能地對齊。Win32平臺下的微軟C編譯器(cl.exefor80x86)在默認情況下采用如下的對齊規(guī)則:任何基本數(shù)據(jù)類型T的對齊模數(shù)就是T的大小，即sizeof(T)。比如對于double類型(8字節(jié))，就要求該類型數(shù)據(jù)的地址總是8的倍數(shù)，而char類型數(shù)據(jù)(1字節(jié))則可以從任何一個地址開始。Linux下的GCC奉行的是另外一套規(guī)則(在資料中查得，并未驗證，如錯誤請指正

6、):任何2字節(jié)大小(包括單字節(jié)嗎?)的數(shù)據(jù)類型(比如short)的對齊模數(shù)是2，而其它所有超過2字節(jié)的數(shù)據(jù)類型(比如long,double)都以4為對齊模數(shù)。現(xiàn)在回到我們關(guān)心的struct上來。ANSIC規(guī)定一種結(jié)構(gòu)類型的大小是它所有字段的大小以及字段之間或字段尾部的填充區(qū)大小之和。嗯？填充區(qū)？對，這就是為了使結(jié)構(gòu)體字段滿足內(nèi)存對齊要求而額外分配給結(jié)構(gòu)體的空間。那么結(jié)構(gòu)體本身有什么對齊要求嗎？有的，ANSIC標準規(guī)定結(jié)構(gòu)體類型的對齊要求不能比它所有字段中要求最嚴格的那個寬松，可以更嚴格(但此非強制要求，VC7

7、.1就僅僅是讓它們一樣嚴格)。我們來看一個例子(以下所有試驗的環(huán)境是IntelCeleron2.4G+WIN2000PRO+vc7.1，內(nèi)存對齊編譯選項是"默認"，即不指定/Zp與/pack選項):typedefstructms1{chara;intb;}MS1;假設(shè)MS1按如下方式內(nèi)存布局(本文所有示意圖中的內(nèi)存地址從左至右遞增):_____________________________

8、

9、

10、

11、a

12、b

13、

14、

15、

16、+---------------------------+Bytes:14因為MS1中有最強對齊要

17、求的是b字段(int)，所以根據(jù)編譯器的對齊規(guī)則以及ANSIC標準，MS1對象的首地址一定是4(int類型的對齊模數(shù))的倍數(shù)。那么上述內(nèi)存布局中的b字段能滿足int類型的對齊要求嗎？嗯，當然不能。如果你是編譯器，你會如何巧妙安排來滿足CPU的癖好呢？呵呵，經(jīng)過1毫秒的艱苦思考，你一定得出了如下的方案：_______________________________________

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