struct 字節對齊詳解

一.什麼是字節對齊,爲何要對齊?

    現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講彷佛對任何類型的變量的訪問能夠從任何地址開始，但實際狀況是在訪問特定類型變量的時候常常在特 定的內存地址訪問，這就須要各類類型數據按照必定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
    對齊的做用和緣由：各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不一樣。一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。好比有些架構的CPU在訪問 一個沒有進行對齊的變量的時候會發生錯誤,那麼在這種架構下編程必須保證字節對齊.其餘平臺可能沒有這種狀況，可是最多見的是若是不按照適合其平臺要求對 數據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。好比有些平臺每次讀都是從偶地址開始，若是一個int型（假設爲32位系統）若是存放在偶地址開始的地方，那 麼一個讀週期就能夠讀出這32bit，而若是存放在奇地址開始的地方，就須要2個讀週期，並對兩次讀出的結果的高低字節進行拼湊才能獲得該32bit數 據。顯然在讀取效率上降低不少。

二.字節對齊對程序的影響:

先讓咱們看幾個例子吧(32bit,x86環境,gcc編譯器):
設結構體以下定義：
struct A
{
    int a;
    char b;
    short c;
};
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
如今已知32位機器上各類數據類型的長度以下:
char:1(有符號無符號同)    
short:2(有符號無符號同)    
int:4(有符號無符號同)    
long:4(有符號無符號同)    
float:4     double:8
那麼上面兩個結構大小如何呢?
結果是:
sizeof(strcut A)值爲8
sizeof(struct B)的值倒是12

結構體A中包含了4字節長度的int一個，1字節長度的char一個和2字節長度的short型數據一個,B也同樣;按理說A,B大小應該都是7字節。
之因此出現上面的結果是由於編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。上面是按照編譯器的默認設置進行對齊的結果,那麼咱們是否是能夠改變編譯器的這種默認對齊設置呢,固然能夠.例如:
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct C)值是8。
修改對齊值爲1：
#pragma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值爲7。
後面咱們再講解#pragma pack()的做用.

三.編譯器是按照什麼樣的原則進行對齊的?

    先讓咱們看四個重要的基本概念：
1.數據類型自身的對齊值：
對於char型數據，其自身對齊值爲1，對於short型爲2，對於int,float,double類型，其自身對齊值爲4，單位字節。
2.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。
3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
4.數據成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有了這些值，咱們就能夠很方便的來討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是 表示「對齊在N上」，也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中的數據變量都是按定義的前後順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是數 據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體自己也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量佔用總長度須要是對結構體有效對齊值的整數倍，結合下面例子理解)。這樣就不難理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
假 設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值默認爲4。第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定 對齊值4小，因此其有效對齊值爲1，因此其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a，其自身對齊值爲4，因此有效對齊值也爲4， 因此只能存放在起始地址爲0x0004到0x0007這四個連續的字節空間中，複覈0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值爲 2，因此有效對齊值也是2，能夠存放在0x0008到0x0009這兩個字節空間中，符合0x0008%2=0。因此從0x0000到0x0009存放的 都是B內容。再看數據結構B的自身對齊值爲其變量中最大對齊值(這裏是b）因此就是4，因此結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求， 0x0009到0x0000=10字節，（10＋2）％4＝0。因此0x0000A到0x000B也爲結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節,sizeof(struct B)=12;其實若是就這一個就來講它已將知足字節對齊了, 由於它的起始地址是0,所以確定是對齊的,之因此在後面補充2個字節,是由於編譯器爲了實現結構數組的存取效率,試想若是咱們定義了一個結構B的數組,那 麼第一個結構起始地址是0沒有問題,可是第二個結構呢?按照數組的定義,數組中全部元素都是緊挨着的,若是咱們不把結構的大小補充爲4的整數倍,那麼下一 個結構的起始地址將是0x0000A,這顯然不能知足結構的地址對齊了,所以咱們要把結構補充成有效對齊大小的整數倍.其實諸如:對於char型數據，其 自身對齊值爲1，對於short型爲2，對於int,float,double類型，其自身對齊值爲4，這些已有類型的自身對齊值也是基於數組考慮的,只 是由於這些類型的長度已知了,因此他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C：
#pragma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
    char b;
    int a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
第 一個變量b的自身對齊值爲1，指定對齊值爲2，因此，其有效對齊值爲1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1= 0;第二個變量，自身對齊值爲4，指定對齊值爲2，因此有效對齊值爲2，因此順序存放在0x000二、0x000三、0x000四、0x0005四個連續 字節中，符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值爲2，因此有效對齊值爲2，順序存放
在0x000六、0x0007中，符合 0x0006%2=0。因此從0x0000到0x00007共八字節存放的是C的變量。又C的自身對齊值爲4，因此C的有效對齊值爲2。又8%2=0,C 只佔用0x0000到0x0007的八個字節。因此sizeof(struct C)=8.

四.如何修改編譯器的默認對齊值?

1.在VC IDE中，能夠這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改，默認是8字節。
2.在編碼時，能夠這樣動態修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

五.針對字節對齊,咱們在編程中如何考慮?

    若是在編程的時候要考慮節約空間的話,那麼咱們只須要假定結構的首地址是0,而後各個變量按照上面的原則進行排列便可,基本的原則就是把結構中的變量按照 類型大小從小到大聲明,儘可能減小中間的填補空間.還有一種就是爲了以空間換取時間的效率,咱們顯示的進行填補空間進行對齊,好比:有一種使用空間換時間作 法是顯式的插入reserved成員：
         struct A{
           char a;
           char reserved[3];//使用空間換時間
           int b;
}

reserved成員對咱們的程序沒有什麼意義,它只是起到填補空間以達到字節對齊的目的,固然即便不加這個成員一般編譯器也會給咱們自動填補對齊,咱們本身加上它只是起到顯式的提醒做用.

六.字節對齊可能帶來的隱患:

    代碼中關於對齊的隱患，不少是隱式的。好比在強制類型轉換的時候。例如：
unsigned int i = 0x12345678;
unsigned char *p=NULL;
unsigned short *p1=NULL;

p=&i;
*p=0x00;
p1=(unsigned short *)(p+1);
*p1=0x0000;
最後兩句代碼，從奇數邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對齊的規定。
在x86上，相似的操做只會影響效率，可是在MIPS或者sparc上，可能就是一個error,由於它們要求必須字節對齊.

七.如何查找與字節對齊方面的問題:

若是出現對齊或者賦值問題首先查看
1. 編譯器的big little端設置
2. 看這種體系自己是否支持非對齊訪問
3. 若是支持看設置了對齊與否,若是沒有則看訪問時須要加某些特殊的修飾來標誌其特殊訪問操做。

八.相關文章:轉自http://blog.csdn.net/goodluckyxl/archive/2005/10/17/506827.aspx

ARM下的對齊處理 
from DUI0067D_ADS1_2_CompLib

3.13 type qulifiers

有部分摘自ARM編譯器文檔對齊部分

對齊的使用:
1.__align(num)
   這個用於修改最高級別對象的字節邊界。在彙編中使用LDRD或者STRD時
   就要用到此命令__align(8)進行修飾限制。來保證數據對象是相應對齊。
   這個修飾對象的命令最大是8個字節限制,可讓2字節的對象進行4字節
   對齊,可是不能讓4字節的對象2字節對齊。
   __align是存儲類修改,他只修飾最高級類型對象不能用於結構或者函數對象。
   
2.__packed 
__packed是進行一字節對齊
1.不能對packed的對象進行對齊
2.全部對象的讀寫訪問都進行非對齊訪問
3.float及包含float的結構聯合及未用__packed的對象將不能字節對齊
4.__packed對局部整形變量無影響
5.強制由unpacked對象向packed對象轉化是未定義,整形指針能夠合法定
義爲packed。
     __packed int* p; //__packed int 則沒有意義
6.對齊或非對齊讀寫訪問帶來問題
__packed struct STRUCT_TEST
{
char a;
int b;
char c;
} ;    //定義以下結構此時b的起始地址必定是不對齊的
         //在棧中訪問b可能有問題,由於棧上數據確定是對齊訪問[from CL]
//將下面變量定義成全局靜態不在棧上 
static char* p;
static struct STRUCT_TEST a;
void Main()
{
__packed int* q; //此時定義成__packed來修飾當前q指向爲非對齊的數據地址下面的訪問則能夠

p = (char*)&a;          
q = (int*)(p+1);      

*q = 0x87654321; 
/*   
獲得賦值的彙編指令很清楚
ldr      r5,0x20001590 ; = #0x12345678
[0xe1a00005]   mov      r0,r5
[0xeb0000b0]   bl       __rt_uwrite4 //在此處調用一個寫4byte的操做函數 
      
[0xe5c10000]   strb     r0,[r1,#0]   //函數進行4次strb操做而後返回保證了數據正確的訪問
[0xe1a02420]   mov      r2,r0,lsr #8
[0xe5c12001]   strb     r2,[r1,#1]
[0xe1a02820]   mov      r2,r0,lsr #16
[0xe5c12002]   strb     r2,[r1,#2]
[0xe1a02c20]   mov      r2,r0,lsr #24
[0xe5c12003]   strb     r2,[r1,#3]
[0xe1a0f00e]   mov      pc,r14
*/

/*
若是q沒有加__packed修飾則彙編出來指令是這樣直接會致使奇地址處訪問失敗
[0xe59f2018]   ldr      r2,0x20001594 ; = #0x87654321
[0xe5812000]   str      r2,[r1,#0]
*/

//這樣能夠很清楚的看到非對齊訪問是如何產生錯誤的
//以及如何消除非對齊訪問帶來問題
//也能夠看到非對齊訪問和對齊訪問的指令差別致使效率問題
}

PS：讀後
一、明確結構的指定對齊值，如VC2005下是8。或者是由語句「#pragma pack (value)」指定的值。
二、按照結構數據變量順序相應計算。按照結構的指定對齊值進行佔位計算。舉例說明（默認對齊爲8位）：

如下結構中，
結構體或者類的自身對齊值(其成員中自身對齊值最大的那個值)爲：
double 長度爲8
指定對齊值爲默認對齊值爲8位。

typedef struct
{
   char x1;    //佔據第1個8位的前1位，第1個8位剩下7位
   double x2;    //剩下的7位沒法知足長度，本長度爲8，開闢一個新的8位，第2個8位恰好用完
   size_t x3;    //開闢第3個8位，佔據其中4位，剩餘4位。
   unsigned short x4; //將第3個8位的後4位佔據，第3個8位恰好用完
   int x5;     //開闢第4個8位，佔據前4位
   double x6;    //開闢第5個8位，恰好用完
   char x7;    //開闢第6個8位，佔據一位。其他爲對齊佔位，總計6*8=48位
}x;

如下結構中，
結構體或者類的自身對齊值(其成員中自身對齊值最大的那個值)爲：
double 長度爲8，由於指定爲4，因此仍是爲4
指定對齊值4位。

#pragma pack (4)typedef struct{   char y1;    //佔據第1個4位的前1位，第一個4位剩下3位   double y2;    //剩下的3位沒法知足長度，本長度爲8，開闢2個新的4位，恰好用完   size_t y3;    //開闢第4個4位，佔據其中4位，恰好用完。   unsigned short y4; //開闢第5個4位，佔用2位   int y5;     //開闢第6個4位，恰好用完   double y6;    //開闢第七、8個4位，恰好用完   char y7;    //開闢第9個4位，佔據1位。其他3位補齊。總計4*9=36位}y;#pragma pack ()