浅析内存对齐与ANSI C中struct型数据的内存布局
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2020-09-05
01:25:59
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浅析内存对齐与浅析内存对齐与ANSI C中中struct型数据的内存布局型数据的内存布局
当在C中定义了一个结构类型时，它的大小是否等于各字段(field)大小之和？编译器将如何在内存中放置这些字
段？ANSI C对结构体的内存布局有什么要求？而我们的程序又能否依赖这种布局
这些问题或许对不少朋友来说还有点模糊，那么本文就试着探究它们背后的秘密。
首先，至少有一点可以肯定，那就是ANSI C保证结构体中各字段在内存中出现的位置是随它们的声明顺序依次递增的，并且
第一个字段的首地址等于整个结构体实例的首地址。比如有这样一个结构体：
复制代码 代码如下:
struct vector{int x,y,z;} s;
int *p,*q,*r;
struct vector *ps;
p = &s.x;
q = &s.y;
r = &s.z;
ps = &s;
assert(p < q);
assert(p < r);
assert(q < r);
assert((int*)ps == p);
// 上述断言一定不会失败
这时，有朋友可能会问:"标准是否规定相邻字段在内存中也相邻?"。 唔，对不起，ANSI C没有做出保证，你的程序在任何时
候都不应该依赖这个假设。那这是否意味着我们永远无法勾勒出一幅更清晰更精确的结构体内存布局图？哦，当然不是。不过
先让我们从这个问题中暂时抽身，关注一下另一个重要问题————内存对齐。
许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4
或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐，而这个k则被称为该数据类型的对齐模数(alignment modulus)。当一种类型S的对齐模
数与另一种类型T的对齐模数的比值是大于1的整数，我们就称类型S的对齐要求比T强(严格)，而称T比S弱(宽松)。这种强制
的要求一来简化了处理器与内存之间传输系统的设计，二来可以提升读取数据的速度。比如这么一种处理器，它每次读写内存
的时候都从某个8倍数的地址开始，一次读出或写入8个字节的数据，假如软件能保证double类型的数据都从8倍数地址开始，
那么读或写一个double类型数据就只需要一次内存操作。否则，我们就可能需要两次内存操作才能完成这个动作，因为数据或
许恰好横跨在两个符合对齐要求的8字节内存块上。某些处理器在数据不满足对齐要求的情况下可能会出错，但是Intel的IA32
架构的处理器则不管数据是否对齐都能正确工作。不过Intel奉劝大家，如果想提升性能，那么所有的程序数据都应该尽可能地
对齐。Win32平台下的微软C编译器(cl.exe for 80x86)在默认情况下采用如下的对齐规则: 任何基本数据类型T的对齐模数就是T
的大小，即sizeof(T)。比如对于double类型(8字节)，就要求该类型数据的地址总是8的倍数，而char类型数据(1字节)则可以从
任何一个地址开始。Linux下的GCC奉行的是另外一套规则(在资料中查得，并未验证，如错误请指正):任何2字节大小(包括单
字节吗?)的数据类型(比如short)的对齐模数是2，而其它所有超过2字节的数据类型(比如long,double)都以4为对齐模数。
现在回到我们关心的struct上来。ANSI C规定一种结构类型的大小是它所有字段的大小以及字段之间或字段尾部的填充区大小
之和。嗯？填充区？对，这就是为了使结构体字段满足内存对齐要求而额外分配给结构体的空间。那么结构体本身有什么对齐
要求吗？有的，ANSI C标准规定结构体类型的对齐要求不能比它所有字段中要求最严格的那个宽松，可以更严格(但此非强制
要求，VC7.1就仅仅是让它们一样严格)。我们来看一个例子(以下所有试验的环境是Intel Celeron 2.4G + WIN2000 PRO +
vc7.1，内存对齐编译选项是"默认"，即不指定/Zp与/pack选项):
复制代码 代码如下:
typedef struct ms1
{
char a;
int b;
} MS1;
假设MS1按如下方式内存布局(本文所有示意图中的内存地址从左至右递增):
_____________________________
| a | b |
+---------------------------+
Bytes: 1 4
因为MS1中有最强对齐要求的是b字段(int)，所以根据编译器的对齐规则以及ANSI C标准，MS1对象的首地址一定是4(int类型
的对齐模数)的倍数。那么上述内存布局中的b字段能满足int类型的对齐要求吗？嗯，当然不能。如果你是编译器，你会如何巧
妙安排来满足CPU的癖好呢？呵呵，经过1毫秒的艰苦思考，你一定得出了如下的方案：
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