c语言中内存对齐问题

在最近的项目中，我们涉及到了“内存对齐”技术。对于大部分程序员来说，“内存对齐”对他们来说都应该是“透明的”。“内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。但是C语言的一个特点就是太灵活，太强大，它允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再透明了。

一、内存对齐的原因 大部分的参考资料都是如是说的： 1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。 2、性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

二、对齐规则 每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma  pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

规则： 1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma  pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。 2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma  pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。 3、结合1、2颗推断：当#pragma  pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

三、试验 我们通过一系列例子的详细说明来证明这个规则吧! 我试验用的编译器包括GCC 3.4.2和VC6.0的C编译器，平台为Windows  XP + Sp2。

我们将用典型的struct对齐来说明。首先我们定义一个struct： #pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16  */ struct test_t {  int a;  char b;  short c;  char  d; }; #pragma  pack(n) 首先我们首先确认在试验平台上的各个类型的size，经验证两个编译器的输出均为： sizeof(char) =  1 sizeof(short) = 2 sizeof(int) = 4

我们的试验过程如下：通过#pragma pack(n)改变“对齐系数”，然后察看sizeof(struct test_t)的值。

1、1字节对齐(#pragma pack(1)) 输出结果：sizeof(struct test_t) = 8  [两个编译器输出一致] 分析过程： 1) 成员数据对齐 #pragma pack(1) struct test_t {  int  a;  /* 长度4 < 1 按1对齐；起始offset=0 0%1=0；存放位置区间[0,3] */  char b;  /* 长度1 = 1  按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  short c; /* 长度2 > 1 按1对齐；起始offset=5  5%1=0；存放位置区间[5,6] */  char d;  /* 长度1 = 1 按1对齐；起始offset=7 7%1=0；存放位置区间[7]  */ }; #pragma pack() 成员总大小=8

2) 整体对齐 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 1) = 1 整体大小(size)=$(成员总大小) 按  $(整体对齐系数) 圆整 = 8 /* 8%1=0 */ [注1]

2、2字节对齐(#pragma pack(2)) 输出结果：sizeof(struct test_t) = 10  [两个编译器输出一致] 分析过程： 1) 成员数据对齐 #pragma pack(2) struct test_t {  int  a;  /* 长度4 > 2 按2对齐；起始offset=0 0%2=0；存放位置区间[0,3] */  char b;  /* 长度1 <  2 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  short c; /* 长度2 = 2 按2对齐；起始offset=6  6%2=0；存放位置区间[6,7] */  char d;  /* 长度1 < 2 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8]  */ }; #pragma pack() 成员总大小=9

2) 整体对齐 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 2) = 2 整体大小(size)=$(成员总大小) 按  $(整体对齐系数) 圆整 = 10 /* 10%2=0 */

3、4字节对齐(#pragma pack(4)) 输出结果：sizeof(struct test_t) = 12  [两个编译器输出一致] 分析过程： 1) 成员数据对齐 #pragma pack(4) struct test_t {  int  a;  /* 长度4 = 4 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */  char b;  /* 长度1 < 4  按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  short c; /* 长度2 < 4 按2对齐；起始offset=6  6%2=0；存放位置区间[6,7] */  char d;  /* 长度1 < 4 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8]  */ }; #pragma pack() 成员总大小=9

2) 整体对齐 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 4) = 4 整体大小(size)=$(成员总大小) 按  $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

4、8字节对齐(#pragma pack(8)) 输出结果：sizeof(struct test_t) = 12  [两个编译器输出一致] 分析过程： 1) 成员数据对齐 #pragma pack(8) struct test_t {  int  a;  /* 长度4 < 8 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */  char b;  /* 长度1 <  8 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  short c; /* 长度2 < 8 按2对齐；起始offset=6  6%2=0；存放位置区间[6,7] */  char d;  /* 长度1 < 8 按1对齐；起始offset=8 8%1=0；存放位置区间[8]  */ }; #pragma pack() 成员总大小=9

2) 整体对齐 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4 整体大小(size)=$(成员总大小) 按  $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

5、16字节对齐(#pragma pack(16)) 输出结果：sizeof(struct test_t) = 12  [两个编译器输出一致] 分析过程： 1) 成员数据对齐 #pragma pack(16) struct test_t {  int  a;  /* 长度4 < 16 按4对齐；起始offset=0 0%4=0；存放位置区间[0,3] */  char b;  /* 长度1 <  16 按1对齐；起始offset=4 4%1=0；存放位置区间[4] */  short c; /* 长度2 < 16  按2对齐；起始offset=6 6%2=0；存放位置区间[6,7] */  char d;  /* 长度1 < 16 按1对齐；起始offset=8  8%1=0；存放位置区间[8] */ }; #pragma pack() 成员总大小=9

2) 整体对齐 整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 16) = 4 整体大小(size)=$(成员总大小)  按 $(整体对齐系数) 圆整 = 12 /* 12%4=0 */

四、结论 8字节和16字节对齐试验证明了“规则”的第3点：“当#pragma  pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果”。另外内存对齐是个很复杂的东西，上面所说的在有些时候也可能不正确。呵呵^_^

[注1] 什么是“圆整”？ 举例说明：如上面的8字节对齐中的“整体对齐”，整体大小=9 按 4 圆整 =  12 圆整的过程：从9开始每次加一，看是否能被4整除，这里9，10，11均不能被4整除，到12时可以，则圆整结束。