内存地址对齐,是一种在计算机内存中排列数据(表现为变量的地址)、访问数据(表现为CPU读取数据)的一种方式,包含了两种相互独立又相互关联的部分:基本数据对齐和结构体数据对齐 。
为什么需要内存对齐?对齐有什么好处?是我们程序员来手动做内存对齐呢?还是编译器在进行自动优化的时候完成这项工作?
在现代计算机体系中,每次读写内存中数据,都是按字(word,4个字节,对于X86架构,系统是32位,数据总线和地址总线的宽度都是32位,所以最大的寻址空间为232 = 4GB(也 许有人会问,我的32位XP用不了4GB内存,关于这个不在本篇博文讨论范围),按A[31,30…2,1,0]这样排列,但是请注意为了CPU每次读写 4个字节寻址,A[0]和A[1]两位是不参与寻址计算的。)为一个块(chunks)来操作(而对于X64则是8个字节为一个快)。注意,这里说的 CPU每次读取的规则,并不是变量在内存中地址对齐规则。既然是这样的,如果变量在内存中存储的时候也按照这样的对齐规则,就可以加快CPU读写内存的速 度,当然也就提高了整个程序的性能,并且性能提升是客观,虽然当今的CPU的处理数据速度(是指逻辑运算等,不包括取址)远比内存访问的速度快,程序的执 行速度的瓶颈往往不是CPU的处理速度不够,而是内存访问的延迟,虽然当今CPU中加入了高速缓存用来掩盖内存访问的延迟,但是如果高密集的内存访问,一 种延迟是无可避免的,内存地址对齐会给程序带来了很大的性能提升。
内存地址对齐是计算机语言自动进行的,也即是编译器所做的工作。但这不意味着我们程序员不需要做任何事情,因为如果我们能够遵循某些规则,可以让编译器做得更好,毕竟编译器不是万能的。
为了更好理解上面的意思,这里给出一个示例。在32位系统中,假如一个int变量在内存中的地址是0x00ff42c3,因为int是占用4个字节,所以它的尾地址应该是0x00ff42c6,这个时候CPU为了读取这个int变量的值,就需要先后读取两个word大小的块,分别是0x00ff42c0~0x00ff42c3和0x00ff42c4~0x00ff42c7,然后通过移位等一系列的操作来得到,在这个计算的过程中还有可能引起一些总线数据错误的。但是如果编译器对变量地址进行了对齐,比如放在0x00ff42c0,CPU就只需要一次就可以读取到,这样的话就加快读取效率。
1、基本数据对齐
在X86,32位系统下基于Microsoft、Borland和GNU的编译器,有如下数据对齐规则:
a、一个char(占用1-byte)变量以1-byte对齐。
b、一个short(占用2-byte)变量以2-byte对齐。
c、一个int(占用4-byte)变量以4-byte对齐。
d、一个long(占用4-byte)变量以4-byte对齐。
e、一个float(占用4-byte)变量以4-byte对齐。
f、一个double(占用8-byte)变量以8-byte对齐。
g、一个long double(占用12-byte)变量以4-byte对齐。
h、任何pointer(占用4-byte)变量以4-byte对齐。
而在64位系统下,与上面规则对比有如下不同:
a、一个long(占用8-byte)变量以8-byte对齐。
b、一个double(占用8-byte)变量以8-byte对齐。
c、一个long double(占用16-byte)变量以16-byte对齐。
d、任何pointer(占用8-byte)变量以8-byte对齐。
2、结构体数据对齐
结构体数据对齐,是指结构体内的各个数据对齐。在结构体中的第一个成员的首地址等于整个结构体的变量的首地址,而后的成员的地址随着它声明的顺序和实际占用的字节数递增。为了总的结构体大小对齐,会在结构体中插入一些没有实际意思的字符来填充(padding)结构体。
在结构体中,成员数据对齐满足以下规则:
a、结构体中的第一个成员的首地址也即是结构体变量的首地址。
b、结构体中的每一个成员的首地址相对于结构体的首地址的偏移量(offset)是该成员数据类型大小的整数倍。
c、结构体的总大小是对齐模数(对齐模数等于#pragma pack(n)所指定的n与结构体中最大数据类型的成员大小的最小值)的整数倍。
7: struct
8: {
9: char a;
10: int b;
11: short c;
12: char d;
13: }dataAlign;
14:
15: struct
16: {
17: char a;
18: char d;
19: short c;
20: int b;
21:
22: }dataAlign2;
仔细观察,会发现虽然是一样的数据类型的成员,只不过声明的顺序不同,结构体占用的大小也不同,一个8-byte一个12-byte。为什么这样,下面进行具体分析。
首先来看dataAlign2,第一个成员的地址等于结构体变量的首地址,第二个成员char类型,为了满足规则b,它相对于结构体的首地址的偏移量必须 是char=1的倍数,由于前面也是char,故不需要在第一个和第一个成员之间填充,直接满足条件。第三个成员short=2如果要满足规则b,也不需 要填充,因为它的偏移量已经是2。同样第四个也因为偏移量int=4,不需要填充,这样结构体总共大小为8-byte。最后来验证规则c,在VC中默认 的#pragma pack(n)中的n=8,而结构体中数据类型大小最大的为第四个成员int=4,故对齐模数为4,并且8 mode 4 = 0,所以满足规则c。这样整个结构体的总大小为8。
对于dataAlign,第一个成员等于结构体变量首地址,偏移量为0,第二个成员为int=4,为了满足规则b,需要在第一个成员之后填充3-byte,让它相对于结构体首地址偏移量为4,结合运行结果,可知& = 0x01109140,而& = 0x01109144,它们之间相隔4-byte,0x01109141~0x01109143三个字节被0填 充。第三个成员short=2,无需填充满足规则b。第四个成员char=1,也不需要填充。结构体总大小相加4 + 4 + 2 + 1 = 11。同样最后需要验证规则c,结构体中数据类型大小最大为第二个成员int=4,比VC默认对齐模数8小,故这个结构体的对齐模数仍然为4,显然11 mode 4 != 0,故为了满足规则c,需要在char后面填充一个字节,这样结构体变量dataAlign的总大小为4 + 4 + 2 + 2 = 12。