C/C++内存对齐原则

时间：2023-02-05 12:11:05

what && why

当用户自定义类型时（struct 或 class），编译器会自动计算该类型占用的字节数。

C/C++ 为什么要内存对齐？我道行太浅，摘抄了网上的一个解释。

为了方便从内存中读取数据。假设没有内存对齐，在内存中存储一个 int 变量 x（占 4 字节），放在了地址 2-5 上。现在要读取 x 到寄存器中，CPU 知道读 int 一次应该读 4 字节，但是不会直接读地址 2-5（为什么不会？我也不知道啊！但是 CPU 有直接读 2-5 地址的功能，但它没有用起来），一次读出来，而是先读 0-3，再读 4-7，丢掉多余的字节。可以看到对齐后少读了一次内存，性能肯定得到提升了（我们知道 C/C++ 是追求极致性能的）。

举例

#include <iostream>

using namespace std;

// #pragma pack (1)

struct Test 
{
    int i1;
    char c;
    int i2;
    double d;
};


int main(int argc, char* argv[])
{
    cout << sizeof(Test) << endl;	// 24
    return 0;
}

如果没有内存对齐，Test 类型的大小应该是 4+1+4+8 = 17 字节，经过对齐后变成了 24 字节。

第 5 行注释就是设置内存对齐基数，取值一般是 1, 2, 4, 8，若该值为 1 则表示不对齐（不信就去掉注释再运行一次，输出肯定是 17）。

内存对齐原则

  1. 整体对齐基数 n：假设默认或通过#pragma pack ()设置的对齐基数是 i（现在机器一般都是 8，旧一些的应该是 4），struct 中“最大”成员所占用的字节数 j，则 n = min(i, j)，也就是说这个 struct 类型最终的大小必须是 n 的倍数。
  2. 成员对齐基数 k：它的计算方式是 k = min(sizeof(memberType), n)，它要求每个成员的 offset 必须是 k 的倍数，第一个成员的 offset 为 0。比如一个 short 成员的 k = min(sizeof(short), n)

可以看出，当 i = 1 时就是不对齐；当 i >= j 时，i 不起作用。

操练一下

假设 n = 8

先进行成员对齐：

#include <iostream>
using namespace std;

struct Test 
{
    int i1;		// offset为0, 占用第0-3字节
    char c;		// 1 < 8, offset是1的倍数, 因此offset为4, 占用第4字节	
    int i2;		// 4 < 8, offset是4的倍数, 因此offset为8, 占用第8-11字节
    double d;	// 8 == 8, offset是8的倍数, 因此offset为16, 占用第16-23字节
    
    // 构造函数
    Test(int ii1, char cc, int ii2, double dd):
    	i1(ii1), c(cc), i2(ii2), d(dd) {}
};

// 来验证一下
int main(int argc, char* argv[])
{
    cout << sizeof(Test) << endl;
    Test *pt = new Test(1, 'a', 2, 1.25);  // 基地址
    unsigned char* ppt = (unsigned char*)pt;   // 强制类型转换, 按字节读 
    for (int i = 0; i < sizeof(Test); ++i) {
        printf("%x ", *(ppt + i));
    }
    cout << endl;
    // 1 0 0 0 61 f0 ad ba 2 0 0 0 d f0 ad ba 0 0 0 0 0 0 f4 3f
    return 0;
}

再进行整体对齐：这个 struct 类型所需字节为 24 字节，恰好是 n 的倍数，无须在尾部额外填充。

内存排列如下图所示：

C/C++内存对齐原则

其中白色格子代表填充，其内容是不确定的。

按十六进制输出：1 0 0 0 61 f0 ad ba 2 0 0 0 d f0 ad ba 0 0 0 0 0 0 f4 3f

  • 可以看到前面 4 字节是 1 0 0 0，是 i1 = 1；

  • 第 5 字节是 61，是 'a' 的十六进制 ASCII 码；

  • 然后 6-7 字节是填充的内容，不确定的；

  • 第 8-11 字节是 2 0 0 0，是 i2 = 2；

  • 第 12 - 15 字节是填充的内容，不确定的；

  • 第 16-23 字节是 d = 1.25 的底层二进制表示（怎么算的我也忘了好久了，参考神书《CSAPP：深入理解计算机系统》即可找回记忆）。

留下疑问

问：在自定义类型嵌套时，比如 Test1 嵌套正在 Test2 中，此时应该怎么进行内存对齐呢？

struct Test1 
{
    int i1;
    char c;
    int i2;
    double d;
    // 构造函数
    Test1(int ii1, char cc, int ii2, double dd):
    	i1(ii1), c(cc), i2(ii2), d(dd) {}
};

struct Test2
{
    Test1 t1;
    int x;
};

答：先计算 Test1 所占字节大小 sizeof(Test1)，然后继续按照上述基本原则计算 Test2 即可。如果是多重嵌套，那就递归找到那个成员全都是基本类型的 struct 开始计算，然后回溯。

问：继承体系中如何进行内存对齐？

struct A
{
    int i;
    char c1;
};


struct B: public A
{
    char c2;
};


struct C: public B
{
    char c3;
};

答：我也不会！我郁闷了，在我 64 位 Windows 操作系统 + gcc8.1.0 和 ubuntu18.04 + gcc7.5.0 上的运行结果都是 12！

但是我参考的一篇博客说，他的结果是 8 或 16！C++ 内存对齐 - tenos - 博客园 (cnblogs.com)

博客里说根据编译器类型拥有两种方式：先继承后对齐和先对齐后继承。

但是我无论按哪种方式，#pragma pack ()取 4 或 8，排列组合 2*2=4 种可能，我都算不出来 12！但是我能算出 8 和 16！

希望有朋友可以解答我的疑惑，万分感谢。

最后

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