C語言再學習以內存對齊

昨天看Q3的代碼，看到有個_INTSAIZEOF的宏，着實暈了一陣。一番google後，終於明白，這個宏的做用是求出變量佔用內存空間的大小,先看看_INTSAIZEOF的定義吧：

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

（ANSI C標準下，_INTSAIZEOF宏定義在stdarg.h中，Q3中定義在bg_lib.h中；bg_lib.h -- standard C library replacement routines used by code）

關於這個宏的內部原理，咱們後面再談，仍是先理理「內存對齊」這詞的意思吧，多年來一直模糊的存在於個人大腦中，究竟爲何要內存對齊啊。

內存對齊的根源：

一、許多計算機系統對基本數據類型可容許地址做了必定的限制，要求某種類型對象的地址必須是某個值n（一般是二、四、8）的倍數，從而來簡化處理器和存儲器之間的接口的硬件設計。如Linux的對齊策略是2字節數據類型，例如short的地址必須是2的倍數。而較大的數據類型如：int、int*、float、double則必須是4的倍數。而Microsoft Windows的策略要求更爲嚴格-----任何k字節對象的地址必須是k的倍數。好比要求一個double類型對象的地址必須是8的倍數(引自《深刻理解計算機系統》)。

二、數據結構(尤爲是棧)應該儘量地在天然邊界上對齊。緣由在於，爲了訪問未對齊的內存，處理器須要做兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅須要一次訪問。

 

內存對齊的規則：

上面所提到的天然邊界是由什麼決定的呢，我想應該是由硬件平臺決定的，至於操做系統和編譯器（默認對齊係數）則都是依賴於上一層的。固然，編譯器的對齊係數能夠經過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變；

舉個例子：好比參數入棧，編譯器並非一個緊挨着一個的壓入棧的，而是根據對齊係數來壓棧的，好比一個char類型的參數，雖然自己只佔一個字節，可是編譯器會自動補全後面3個字節，而後再壓下一個參數。

 

(這裏說點題外話：在寫過delphi程序的人都知道，有個packed的保留字，做用就是壓縮數據結構，不要按對齊存儲，除非數據結構體積龐大，不然爲何要用packed呢，用了不就影響內存讀取的速度了嗎？:))

 

一、數據成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的數據成員，第一個數據成員放在offset爲0的地方，之後每一個數據成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度中，比較小的那個進行。 
二、結構(或聯合)的總體對齊規則：在數據成員完成各自對齊以後，結構(或聯合)自己也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行。 
三、結合一、2顆推斷：當#pragma pack的n值等於或超過全部數據成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。

（以上3點引自《也談內存對齊》一文）

 

再看_INTSAIZEOF宏：

這個宏的定義咋一看有點丈二和尚摸不着頭腦，不過網上有對齊的解釋，看後相信會豁然明朗了：

對於兩個正整數 x, n 總存在整數 q, r 使得 x = nq + r, 其中  0<= r <n                  //最小非負剩餘 q, r 是惟一肯定的。q = [x/n], r = x - n[x/n]. 這個是帶餘除法的一個簡單形式。在 c 語言中， q, r 容易計算出來： q = x/n, r = x % n. 所謂把 x 按 n 對齊指的是：若 r=0, 取 qn, 若 r>0, 取 (q+1)n. 這也至關於把 x 表示爲： x = nq + r', 其中 -n < r' <=0                //最大非正剩餘 nq 是咱們所求。關鍵是如何用 c 語言計算它。因爲咱們能處理標準的帶餘除法，因此能夠把這個式子轉換成一個標準的帶餘除法，而後加以處理： x+n = qn + (n+r')，其中 0<n+r'<=n            //最大正剩餘 x+n-1 = qn + (n+r'-1), 其中 0<= n+r'-1 <n    //最小非負剩餘 因此 qn = [(x+n-1)/n]n. 用 c 語言計算就是： ((x+n-1)/n)*n 若 n 是 2 的方冪, 好比 2^m，則除爲右移 m 位，乘爲左移 m 位。因此把 x+n-1 的最低 m 個二進制位清 0就能夠了。獲得： (x+n-1) & (~(n-1))