C语言再学习之内存对齐

昨天看Q3的代码，看到有个_INTSAIZEOF的宏，着实晕了一阵。一番google后，终于明白，这个宏的作用是求出变量占用内存空间的大小,先看看_INTSAIZEOF的定义吧：

#define _INTSIZEOF(n)   ( (sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1) )

（ANSI C标准下，_INTSAIZEOF宏定义在stdarg.h中，Q3中定义在bg_lib.h中；bg_lib.h -- standard C library replacement routines used by code）

关于这个宏的内部原理，我们后面再谈，还是先理理“内存对齐”这词的意思吧，多年来一直模糊的存在于我的大脑中，究竟为什么要内存对齐啊。

内存对齐的根源：

1、许多计算机系统对基本数据类型可允许地址作了一定的限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值n（通常是2、4、8）的倍数，从而来简化处理器和存储器之间的接口的硬件设计。如Linux的对齐策略是2字节数据类型，例如short的地址必须是2的倍数。而较大的数据类型如：int、int*、float、double则必须是4的倍数。而Microsoft Windows的策略要求更为严格-----任何k字节对象的地址必须是k的倍数。比如要求一个double类型对象的地址必须是8的倍数(引自《深入理解计算机系统》)。

2、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。

内存对齐的规则：

上面所提到的自然边界是由什么决定的呢，我想应该是由硬件平台决定的，至于操作系统和编译器（默认对齐系数）则都是依赖于上一层的。当然，编译器的对齐系数可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变；

举个例子：比如参数入栈，编译器并不是一个紧挨着一个的压入栈的，而是根据对齐系数来压栈的，比如一个char类型的参数，虽然本身只占一个字节，但是编译器会自动补全后面3个字节，然后再压下一个参数。

(这里说点题外话：在写过delphi程序的人都知道，有个packed的保留字，作用就是压缩数据结构，不要按对齐存储，除非数据结构体积庞大，否则为什么要用packed呢，用了不就影响内存读取的速度了吗？:))

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。

（以上3点引自《也谈内存对齐》一文）

再看_INTSAIZEOF宏：

这个宏的定义咋一看有点丈二和尚摸不着头脑，不过网上有对齐的解释，看后相信会豁然明朗了：

对于两个正整数 x, n 总存在整数 q, r 使得 
x = nq + r, 其中  0<= r <n                  //最小非负剩余 
q, r 是唯一确定的。q = [x/n], r = x - n[x/n]. 这个是带余除法的一个简单形式。在 c 语言中， q, r 容易计算出来： q = x/n, r = x % n. 
所谓把 x 按 n 对齐指的是：若 r=0, 取 qn, 若 r>0, 取 (q+1)n. 这也相当于把 x 表示为： 
x = nq + r', 其中 -n < r' <=0                //最大非正剩余 
nq 是我们所求。关键是如何用 c 语言计算它。由于我们能处理标准的带余除法，所以可以把这个式子转换成一个标准的带余除法，然后加以处理： 
x+n = qn + (n+r')，其中 0<n+r'<=n            //最大正剩余 
x+n-1 = qn + (n+r'-1), 其中 0<= n+r'-1 <n    //最小非负剩余 
所以 qn = [(x+n-1)/n]n. 用 c 语言计算就是： 
((x+n-1)/n)*n 
若 n 是 2 的方幂, 比如 2^m，则除为右移 m 位，乘为左移 m 位。所以把 x+n-1 的最低 m 个二进制位清 0就可以了。得到： 
(x+n-1) & (~(n-1))