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<title>C++基础之字节对齐 | 云海鹰影</title>
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<h1 class="kratos-entry-title text-center">C++基础之字节对齐</h1>
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<span>
<i class="fa fa-calendar"></i> 2019-05-12
<i class="fa fa-folder"></i> 分类 <a class="label-link" href="/categories/%E7%BC%96%E7%A8%8B%E5%9F%BA%E7%A1%80/">编程基础</a>, <a class="label-link" href="/categories/%E7%BC%96%E7%A8%8B%E5%9F%BA%E7%A1%80/C-%E5%9F%BA%E7%A1%80/">C++基础</a>
<i class="fa fa-user"></i> 作者 云海鹰影
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字
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本文最后编辑于 <time datetime="1615457057387"></time> 前，其中的内容可能需要更新。
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<hr />
<p>本文转自<a target="_blank" rel="noopener" href="https://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3853132.html">C语言字节对齐问题详解</a>, 做了一定的删减和修改。</p>
<h2 id="1-什么是字节对齐"><a href="#1-什么是字节对齐" class="headerlink" title="1. 什么是字节对齐"></a>1. 什么是字节对齐</h2><p> 现代计算机中内存空间都是按照字节（byte）划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序地一个接一个地排放，这就是对齐。</p>
<h2 id="2-对齐的原因和作用"><a href="#2-对齐的原因和作用" class="headerlink" title="2. 对齐的原因和作用"></a>2. 对齐的原因和作用</h2><p>不同硬件平台对存储空间的处理上存在很大的不同。某些平台对特定类型的数据只能从特定地址开始存取，而不允许其在内存中任意存放。例如Motorola 68000 处理器不允许16位的字存放在奇地址，否则会触发异常，因此在这种架构下编程必须保证字节对齐。</p>
<p>但最常见的情况是，如果不按照平台要求对数据存放进行对齐，会带来存取效率上的损失。比如32位的Intel处理器通过总线访问(包括读和写)内存数据。每个总线周期从偶地址开始访问32位内存数据，内存数据以字节为单位存放。如果一个32位的数据没有存放在4字节整除的内存地址处，那么处理器就需要2个总线周期对其进行访问，显然访问效率下降很多。</p>
<p>因此，通过合理的内存对齐可以提高访问效率。为使CPU能够对数据进行快速访问，数据的起始地址应具有“对齐”特性。比如4字节数据的起始地址应位于4字节边界上，即起始地址能够被4整除。</p>
<p>此外，合理利用字节对齐还可以有效地节省存储空间。但要注意，在32位机中使用1字节或2字节对齐，反而会降低变量访问速度。因此需要考虑处理器类型。还应考虑编译器的类型。在VC/C++和GNU GCC中都是默认是4字节对齐。</p>
<h2 id="3-对齐的分类和准则"><a href="#3-对齐的分类和准则" class="headerlink" title="3. 对齐的分类和准则"></a>3. 对齐的分类和准则</h2><p>本文主要基于Intel X86架构介绍<font color=blue><strong>结构体对齐</strong></font>，<font color=blue><strong>栈内存对齐</strong></font>和<font color=blue><strong>位域对齐</strong></font>，位域本质上为结构体类型。</p>
<p>对于Intel X86平台，每次分配内存应该是从4的整数倍地址开始分配，无论是对结构体变量还是简单类型的变量。</p>
<h3 id="3-1-结构体对齐"><a href="#3-1-结构体对齐" class="headerlink" title="3.1 结构体对齐"></a>3.1 结构体对齐</h3><p>在C语言中，结构体是种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型(如int、long、float等)的变量，也可以是一些复合数据类型(如数组、结构体、联合等)的数据单元。编译器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。</p>
<p>字节对齐的问题主要就是针对结构体。</p>
<h4 id="3-1-1-简单示例"><a href="#3-1-1-简单示例" class="headerlink" title="3.1.1 简单示例"></a>3.1.1 简单示例</h4><p>先看个简单的例子(32位，X86处理器，GCC编译器):<br>【例1】设结构体如下定义：</p>
<figure class="highlight c" data-lang="c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="class"><span class="keyword">struct</span> <span class="title">A</span>{</span></span><br><span class="line"> <span class="type">int</span> a;</span><br><span class="line"> <span class="type">char</span> b;</span><br><span class="line"> <span class="type">short</span> c;</span><br><span class="line">};</span><br><span class="line"><span class="class"><span class="keyword">struct</span> <span class="title">B</span>{</span></span><br><span class="line"> <span class="type">char</span> b;</span><br><span class="line"> <span class="type">int</span> a;</span><br><span class="line"> <span class="type">short</span> c;</span><br><span class="line">};</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>已知32位机器上各数据类型的长度为：char为1字节、short为2字节、int为4字节、long为4字节、float为4字节、double为8字节。那么上面两个结构体大小如何呢？</p>
<p>结果是：sizeof(strcut A)值为8；sizeof(struct B)的值却是12。</p>
<p>结构体A中包含一个4字节的int数据，一个1字节char数据和一个2字节short数据；B也一样。按理说A和B大小应该都是7字节。之所以出现上述结果，就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。</p>
<h4 id="3-1-2-对齐准则"><a href="#3-1-2-对齐准则" class="headerlink" title="3.1.2 对齐准则"></a>3.1.2 对齐准则</h4><p>先来看四个重要的基本概念：</p>
<blockquote>
<ol>
<li><font color=blue><strong>数据类型自身的对齐值</strong></font>：就是基本数据类型的自身对齐值，比如char类型的自身对齐值为1字节，int类型的自身对齐值为4字节。</li>
<li><font color=blue><strong>结构体或者类的自身对齐值</strong></font>：其成员中自身对齐值最大的那个值，比如以上的struct A的对齐值为4。</li>
<li><font color=blue><strong>指定对齐值</strong></font>：预编译命令#pragma pack （value）指定的对齐值value。</li>
<li><font color=blue><strong>数据成员、结构体和类的有效对齐值</strong></font>：自身对齐值和指定对齐值中较小者，即<font color=brwong>有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}</font>。</li>
</ol>
</blockquote>
<p>其中，有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N表示“对齐在N上”，即该数据的“存放起始地址%N=0”。而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序存放。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐存放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(即结构体成员变量占用总长度为结构体有效对齐值的整数倍)。</p>
<p>基于上面定义和说明，我们可以方便的得出结构体字节对齐满足的三个一般性准则：</p>
<blockquote>
<ol>
<li>结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；</li>
<li>结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量(offset)都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节(internal adding)；</li>
<li>结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节{trailing padding}。</li>
</ol>
</blockquote>
<p>以此分析3.1.1节中的结构体B：<br>假定对齐值默认为4，则char的有效对齐值为1，int的有效对齐值为4，short的有效对齐值为2；则结构体的有效对齐值为4；假设结构体B内存起始地址为0x0000, 按照结构体B的变量定义顺序，可以简单地知道变量char b内存地址为0x0000，占1个字节；变量int a 内存地址为0x0004，占4个字节；变量short c内存地址为0x0008，占2个字节。至此结构体的大小为(0x0008-0x0000) + 2 = 10; 根据结构体圆整的要求（准则3），编译器会在后面补充2个字节以满足4的整数倍要求，所以sizeof(struct B)=12。</p>
<p>再来看一个例子：<br>【例2】假设4字节对齐，以下程序的输出结果是多少？</p>
<figure class="highlight c" data-lang="c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="comment">/* OFFSET宏定义可取得指定结构体某成员在结构体内部的偏移 */</span></span><br><span class="line"><span class="meta">#<span class="keyword">define</span> OFFSET(st, field) (size_t)&(((st*)0)->field)</span></span><br><span class="line"><span class="keyword">typedef</span> <span class="class"><span class="keyword">struct</span>{</span></span><br><span class="line"> <span class="type">char</span> a;</span><br><span class="line"> <span class="type">short</span> b;</span><br><span class="line"> <span class="type">char</span> c;</span><br><span class="line"> <span class="type">int</span> d;</span><br><span class="line"> <span class="type">char</span> e[<span class="number">3</span>];</span><br><span class="line">}T_Test;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"><span class="type">int</span> <span class="title function_">main</span><span class="params">(<span class="type">void</span>)</span>{</span><br><span class="line"> <span class="built_in">printf</span>(<span class="string">"Size = %d\n a-%d, b-%d, c-%d, d-%d\n e[0]-%d, e[1]-%d, e[2]-%d\n"</span>,</span><br><span class="line"> <span class="keyword">sizeof</span>(T_Test), OFFSET(T_Test, a), OFFSET(T_Test, b),</span><br><span class="line"> OFFSET(T_Test, c), OFFSET(T_Test, d), OFFSET(T_Test, e[<span class="number">0</span>]),</span><br><span class="line"> OFFSET(T_Test, e[<span class="number">1</span>]),OFFSET(T_Test, e[<span class="number">2</span>]));</span><br><span class="line"> <span class="keyword">return</span> <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>执行后输出如下：</p>
<figure class="highlight plaintext" data-lang="plaintext"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line">Size = 16</span><br><span class="line"> a-0, b-2, c-4, d-8</span><br><span class="line"> e[0]-12, e[1]-13, e[2]-14</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>下面来具体分析：<br>首先char a占用1个字节，没问题。<br>short b本身占用2个字节，根据上面准则2，需要在b和a之间填充1个字节。<br>char c占用1个字节，没问题。<br>int d本身占用4个字节，根据准则2，需要在d和c之间填充3个字节。<br>char e[3]；本身占用3个字节，根据原则3，需要在其后补充1个字节。<br>因此，sizeof(T_Test) = 1 + 1 + 2 + 1 + 3 + 4 + 3 + 1 = 16字节。</p>
<h4 id="3-1-3-对齐的隐患"><a href="#3-1-3-对齐的隐患" class="headerlink" title="3.1.3 对齐的隐患"></a>3.1.3 对齐的隐患</h4><h5 id="3-1-3-1-数据类型转换"><a href="#3-1-3-1-数据类型转换" class="headerlink" title="3.1.3.1 数据类型转换"></a>3.1.3.1 数据类型转换</h5><p>代码中关于对齐的隐患，很多是隐式的。例如，在强制类型转换的时候：</p>
<figure class="highlight c" data-lang="c"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="type">int</span> <span class="title function_">main</span><span class="params">(<span class="type">void</span>)</span>{</span><br><span class="line"> <span class="type">unsigned</span> <span class="type">int</span> i = <span class="number">0x12345678</span>;</span><br><span class="line"> <span class="type">unsigned</span> <span class="type">char</span> *p = (<span class="type">unsigned</span> <span class="type">char</span> *)&i;</span><br><span class="line"> *p = <span class="number">0x00</span>;</span><br><span class="line"> <span class="type">unsigned</span> <span class="type">short</span> *p1 = (<span class="type">unsigned</span> <span class="type">short</span> *)(p+<span class="number">1</span>);</span><br><span class="line"> *p1 = <span class="number">0x0000</span>;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="keyword">return</span> <span class="number">0</span>;</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>最后两句代码，从奇数边界去访问unsigned short型变量，显然不符合对齐的规定。在X86上，类似的操作只会影响效率；但在MIPS或者SPARC上可能导致error，因为它们要求必须字节对齐。</p>
<h5 id="3-1-3-2-排查对齐问题"><a href="#3-1-3-2-排查对齐问题" class="headerlink" title="3.1.3.2 排查对齐问题"></a>3.1.3.2 排查对齐问题</h5><p>如果出现对齐或者赋值问题可查看：</p>
<ol>
<li>编译器的字节序大小端设置；</li>
<li>处理器架构本身是否支持非对齐访问；</li>
<li>如果支持看设置对齐与否，如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作。</li>
</ol>
<h4 id="3-1-4-更改对齐方式"><a href="#3-1-4-更改对齐方式" class="headerlink" title="3.1.4 更改对齐方式"></a>3.1.4 更改对齐方式</h4><p>主要是更改C编译器的缺省字节对齐方式。</p>
<p>在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：</p>
<ul>
<li>使用伪指令<code>#pragma pack(n)</code>：C编译器将按照n个字节对齐；</li>
<li>使用伪指令<code>#pragma pack()</code>： 取消自定义字节对齐方式。</li>
</ul>
<p>另外，还有如下的一种方式(GCC特有语法)：</p>
<ul>
<li><code>__attribute((aligned (n)))</code>： 让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构体中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。</li>
<li><code>__attribute__ ((packed))</code>： 取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。</li>
</ul>
<p>【注】<code>__attribute__</code>机制是GCC的一大特色，可以设置函数属性(Function Attribute)、变量属性(Variable Attribute)和类型属性(Type Attribute)。</p>
<h3 id="3-2-栈内存对齐"><a href="#3-2-栈内存对齐" class="headerlink" title="3.2 栈内存对齐"></a>3.2 栈内存对齐</h3><p>待整理。</p>
<h3 id="3-3-位域对齐"><a href="#3-3-位域对齐" class="headerlink" title="3.3 位域对齐"></a>3.3 位域对齐</h3><p>待整理。</p>
</div>
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text: "https://www.chaoswork.cn/20190512-5.html",
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height: 150,
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const weiboBase = "https://service.weibo.com/share/share.php?";
const qzoneBase = "https://sns.qzone.qq.com/cgi-bin/qzshare/cgi_qzshare_onekey?";
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const twitterBase = "https://twitter.com/intent/tweet?";
const hostUrl = "https://www.chaoswork.cn/20190512-5.html";
const title = "「C++基础之字节对齐」";
const excerpt = `本文转自C语言字节对齐问题详解, 做了一定的删减和修改。
1. 什么是字节对齐 现代计算机中内存空间都是按照字节（byte）划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的...`;
let _URL;
switch (dest) {
case "qq" : _URL = qqBase+"url="+hostUrl+"&title="+title+"&desc=&summary="+excerpt+"&site=cxpy"; break;
case "weibo" : _URL = weiboBase+"url="+hostUrl+"&title="+title+excerpt; break;
case "qzone" : _URL = qzoneBase+"url="+hostUrl+"&title="+title+"&desc=&summary="+excerpt+"&site=cxpy"; break;
case "facebook" : _URL = facebookBase+"u="+hostUrl; break;
case "twitter" : _URL = twitterBase+"text="+title+excerpt+"&url="+hostUrl; break;
}
window.open(_URL);
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<span>最后编辑：2021-03-11</span>
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// Gitalk配置
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const src = 'https://cdn.bootcss.com/gitalk/1.4.1/gitalk.min.js';
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