linux內存對齊和位域

Linux 內存對齊

轉自：http://blog.chinaunix.net/uid-21323988-id-1827774.html

在C語言中，結構體(聯合體)是一種複合數據類型，其構成元素既能夠是基本數據類型（如int、long、float等）的變量，也能夠是一些複合數據類型 （如數組、結構、聯合等）的數據單元。在結構中，編譯器爲結構的每一個成員按其天然對界（alignment）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序 在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

例如，下面的結構各成員空間分配狀況：
struct test
{
     char x1;
     short x2;
     float x3;
     char x4;
};

結構的第一個成員x1，其偏移地址爲0，佔據了第1個字節。第二個成員x2爲short類型，其起始地址必須2字節對界，所以，編譯器在x2和 x1之間填充了一個空字節。結構的第三個成員x3和第四個成員x4剛好落在其天然對界地址上，在它們前面不須要額外的填充字節。在test結構中，成員 x3要求4字節對界，是該結構全部成員中要求的最大對界單元，於是test結構的天然對界條件爲4字節，編譯器在成員x4後面填充了3個空字節。整個結構 所佔據空間爲12字節。（注：1. 各成員按照天然邊界對齊 2.總體按照max（成員對齊係數））

更改C編譯器的缺省字節對齊方式
在缺省狀況下，C編譯器爲每個變量或是數據單元按其天然對界條件分配空間。通常地，能夠經過下面的方法來改變缺省的對界條件：
     · 使用僞指令#pragma pack (n)，C編譯器將按照n個字節對齊。
     · 使用僞指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。

另外，還有以下的一種方式：
     · __attribute((aligned (n)))，讓所做用的結構成員對齊在n字節天然邊界上。若是結構中有成員的長度大於n，則按照最大成員的長度來對齊。
     · __attribute__ ((packed))，取消結構在編譯過程當中的優化對齊，按照實際佔用字節數進行對齊。

以上的n = 1, 2, 4, 8, 16... 第一種方式較爲常見。

下面有一道在 CSDN論壇 上討論火熱的題：

Intel和微軟和本公司同時出現的面試題

#pragma pack(8)

struct s1{
short a;
long b;
};

struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};

#pragma pack()

問
1.sizeof(s2) = ?
2.s2的c後面空了幾個字節接着是d?

感謝 redleaves(ID最吊的網友) 的解答，結果以下：

sizeof(S2)結果爲24.
成員對齊有一個重要的條件,即每一個成員分別對齊.即每一個成員按本身的方式對齊.
也就是說上面雖然指定了按8字節對齊,但並非全部的成員都是以8字節對齊.其對齊的規則是,每一個成員按其類型的對齊參數(一般是這個類型的大小)和指定對齊參數(這裏是8字節)中較小的一個對齊.而且結構的長度必須爲所用過的全部對齊參數的整數倍,不夠就補空字節.
S1中,成員a是1字節默認按1字節對齊,指定對齊參數爲8,這兩個值中取1,a按1字節對齊;成員b是4個字節,默認是按4字節對齊,這時就按4字節對齊,因此sizeof(S1)應該爲8;
S2 中,c和S1中的a同樣,按1字節對齊,而d 是個結構,它是8個字節,它按什麼對齊呢?對於結構來講,它的默認對齊方式就是它的全部成員使用的對齊參數中最大的一個,S1的就是4.因此,成員d就是 按4字節對齊.成員e是8個字節,它是默認按8字節對齊,和指定的同樣,因此它對到8字節的邊界上,這時,已經使用了12個字節了,因此又添加了4個字節 的空,從第16個字節開始放置成員e.這時,長度爲24,已經能夠被8(成員e按8字節對齊)整除.這樣,一共使用了24個字節.
                          a    b
S1的內存佈局：11**,1111,
                          c    S1.a S1.b     d
S2的內存佈局：1***,11**,1111,****11111111

這裏有三點很重要:
1.每一個成員分別按本身的方式對齊,並能最小化長度
2.複雜類型(如結構)的默認對齊方式是它最長的成員的對齊方式,這樣在成員是複雜類型時,能夠最小化長度
3.對齊後的長度必須是成員中最大的對齊參數的整數倍,這樣在處理數組時能夠保證每一項都邊界對齊

補充一下,對於數組,好比:
char a[3];這種,它的對齊方式和分別寫3個char是同樣的.也就是說它仍是按1個字節對齊.
若是寫: typedef char Array3[3];
Array3這種類型的對齊方式仍是按1個字節對齊,而不是按它的長度.
不論類型是什麼,對齊的邊界必定是1,2,4,8,16,32,64....中的一個.

測試的編譯器：

GCC 2.95 3.1 3.3 3.4 4.0
MS C/C++ 7.0 7.1 8.0 beta
Borland C/C++ 5.6 6.0
Intel C/C++ 7.0 8.0 8.1
DigitalMars C/C++ 8.4
OpenWatcom 1.3
Codeplay C/C++ 2.1.7

補充下關於__attribute((aligned (n)))測試：

struct s1{
short a;
long b;
} __attribute((aligned (8)));

struct s2{
char c;
struct s1 d;
long long e;
}__attribute((aligned (8)));

sizeof(struct s2) : 32

struct s1{
short a;
long b;
} __attribute((packed));

struct s2{
char c;
struct s1 d;
long long e;
}__attribute((packed));

sizeof(struct s2) : 19

位域：

 轉自：http://www.cnitblog.com/zouzheng/articles/21729.html

  有些信息在存儲時，並不須要佔用一個完整的字節， 而只需佔幾個或一個二進制位。例如在存放一個開關量時，只有0和1 兩種狀態， 用一位二進位便可。爲了節省存儲空間，並使處理簡便，Ｃ語言又提供了一種數據結構，稱爲「位域」或「位段」。所謂「位域」是把一個字節中的二進位劃分爲幾 個不一樣的區域， 並說明每一個區域的位數。每一個域有一個域名，容許在程序中按域名進行操做。 這樣就能夠把幾個不一樣的對象用一個字節的二進制位域來表示。1、位域的定義和位域變量的說明位域定義與結構定義相仿，其形式爲：
struct 位域結構名
{ 位域列表 };
其中位域列表的形式爲： 類型說明符 位域名：位域長度
例如：
struct bs
{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
};
位域變量的說明與結構變量說明的方式相同。 可採用先定義後說明，同時定義說明或者直接說明這三種方式。例如：
struct bs
{
int a:8;
int b:2;
int c:6;
}data;
說明data爲bs變量，共佔兩個字節。其中位域a佔8位，位域b佔2位，位域c佔6位。對於位域的定義尚有如下幾點說明：

1. 一個位域必須存儲在同一個字節中，不能跨兩個字節。如一個字節所剩空間不夠存放另外一位域時，應從下一單元起存放該位域。也能夠有意使某位域從下一單元開始。例如： (注： 請看下面補充說明)
struct bs
{
unsigned a:4
unsigned :0 /*空域*/
unsigned b:4 /*從下一單元開始存放*/
unsigned c:4
}
在這個位域定義中，a佔第一字節的4位，後4位填0表示不使用，b從第二字節開始，佔用4位，c佔用4位。

2. 因爲位域不容許跨兩個字節，所以位域的長度不能大於一個字節的長度，也就是說不能超過8位二進位。

3. 位域能夠無位域名，這時它只用來做填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。例如：
struct k
{
int a:1
int :2 /*該2位不能使用*/
int b:3
int c:2
};
從以上分析能夠看出，位域在本質上就是一種結構類型， 不過其成員是按二進位分配的。

位域的使用 和結構成員的使用相同，其通常形式爲： 位域變量名·位域名 位域容許用各類格式輸出。

main(){
    struct bs
    {
    unsigned a:1;
    unsigned b:3;
    unsigned c:4;
    } bit,*pbit;
    
    bit.a=1;
    bit.b=7;
    bit.c=15;
    printf("%d,%d,%d\n",bit.a,bit.b,bit.c);
    pbit=&bit;
    pbit->a=0;
    pbit->b&=3;
    pbit->c|=1;
    printf("%d,%d,%d\n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);
}

程 序的九、十、11三行分別給三個位域賦值。( 應注意賦值不能超過該位域的容許範圍)程序第12行以整型量格式輸出三個域的內容。第13行把位域變量bit的地址送給指針變量pbit。第14行用指針 方式給位域a從新賦值，賦爲0。第15行使用了複合的位運算符"&="， 該行至關於： pbit->b=pbit->b&3位域b中原有值爲7，與3做按位與運算的結果爲3(111&011=011,十進制值爲 3)。一樣，程序第16行中使用了複合位運算"|="， 至關於： pbit->c=pbit->c|1其結果爲15。程序第17行用指針方式輸出了這三個域的值。

補充說明：

 16 struct s3{

 17         int f:4;

 18         int g:4;

 19         int l:5;

 20         int m:5;

 21 };

 22 

 23 struct s4{

 24         char f:4;

 25         char g:4;

 26         char l:5;

 27         char m:5;

 28 };

sizeof(struct s3): 4 sizeof(struct s4): 3, 即位域也是遵循內存對齊原則，因此仍是使用char來進行位域變量的定義比較合適

 30 struct s5{

 31 

 32         char a:1;

 33         char :2;

 34         long b: 3;

 35         char c:4;

 36 };

sizeof(struct s5): 8，因此不用相鄰位域類型之間採用的是最寬類型做爲存儲的最小單元

 30 struct s5{

 31 

 32         char a:1;

 33         char :2;

 34         long b: 63;

 35         char c:4;

 36 };

此處sizeof(struct s5): 24 仔細體會下上面那句話，就能夠很容易理解了