C语言中的字节对齐详解。

C语言中的字节对齐详解 字节对齐是一种内存存储方式，在现代计算机中，内存空间都是按照byte划分的。在理论上讲，似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。 对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误，那么在这种架构下编程必须保证字节对齐。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。 例如，在某些平台上，每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。 字节对齐对程序的影响： 设结构体如下定义： ```c struct A { int a; char b; short c; }; struct B { char b; int a; short c; }; ``` 现在已知32位机器上各种数据类型的长度如下： * char：1字节（有符号无符号同） * short：2字节（有符号无符号同） * int：4字节（有符号无符号同） * long：4字节（有符号无符号同） * float：4字节 * double：8字节 那么上面两个结构大小如何呢？结果是：sizeof(struct A)值为8，sizeof(struct B)的值却是12。结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个，B也一样；按理说A,B大小应该都是7字节。之所以出现上面的结果是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。 我们可以改变编译器的这种默认对齐设置。例如： ```c #pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/ struct C { char b; int a; short c; }; #pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/ sizeof(struct C)值是8。 ``` 修改对齐值为1： ```c #pragma pack (1) /*指定按1字节对齐*/ struct D { char b; int a; short c; }; #pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/ sizeof(struct D)值是7。 ``` 编译器是按照什么样的原则进行对齐的？ 先让我们看四个重要的基本概念： 1. 数据类型自身的对齐值：对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。 2. 结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。 3. 指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。 4. 数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。 有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的“存放起始地址%N=0”。而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整（就是结构体成员变量占用总长度需要是结构体有效对齐值的5整数倍，结合下面例子理解）。 例如，分析例子B： ```c struct B { char b; int a; short c; }; ``` 假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，第二个成员变量a的自身对齐值是4，第三个成员变量c的自身对齐值是2。 因此，结构体B的自身对齐值是4。根据编译器的对齐原则，结构体B的成员变量需要按照4字节对齐排放。因此，成员变量b需要在4字节的边界上排放，a需要在4字节的边界上排放，c需要在2字节的边界上排放。 在这个例子中，我们可以看到，编译器对齐原则的作用，使得结构体B的大小变成了12字节，而不是预期的7字节。这也是为什么我们需要理解字节对齐的重要性，在编程中，正确地理解和使用字节对齐原则，可以提高程序的效率和可读性。