c——复合类型——struct union 内存对齐

时间：2022-09-05 14:34:03

struct vs array

  • 数组是相同数据类型的聚集体，通过相对于数组首地址的offset获取数组元素，数组每个成员保存了相对于数组首地址的offset和自身字长
  • struct是不同数据类型的聚集体，通过相对于struct首地址的offset获取struct成员，struct每个成员保存了相对于struct首地址的offset和自身字长
注：数组可理解为特殊的struct，成员类型相同(字长相同)的struct

内存对齐

#pragma pack(4)

struct EmptyAnimal
{
};

struct Animal1
{
    int food[2];
    short age;
    long color;
    char name[5];
};

struct Animal2
{
    long color;
    int food[2];
    char name[5];
    short age;
};

void mem_align()
{
    struct Animal1 animal1;
    struct Animal2 animal2;

    printf("-----sizeof-----\n");
    printf("sizeof(food) = %ld\n", sizeof(int[2]));
    printf("sizeof(age) = %ld\n", sizeof(short));
    printf("sizeof(color) = %ld\n", sizeof(long));
    printf("sizeof(gender) = %ld\n", sizeof(char[5]));

    printf("-----EmptyAnimal-----\n");
    printf("sizeof(struct EmptyAnimal) = %ld\n", sizeof(struct EmptyAnimal));

    printf("-----Animal1-----\n");
    printf("sizeof(struct Animal1) = %ld\n", sizeof(struct Animal1));
    printf("food offset = %ld\n", (char*)&animal1.food - (char*)&animal1);
    printf("age offset = %ld\n", (char*)&animal1.age - (char*)&animal1);
    printf("color offset = %ld\n", (char*)&animal1.color - (char*)&animal1);
    printf("name offset = %ld\n", (char*)&animal1.name - (char*)&animal1);

    printf("-----Animal2-----\n");
    printf("sizeof(struct Animal2) = %ld\n", sizeof(struct Animal2));
    printf("color offset = %ld\n", (char*)&animal2.color - (char*)&animal2);
    printf("food offset = %ld\n", (char*)&animal2.food - (char*)&animal2);
    printf("name offset = %ld\n", (char*)&animal2.name - (char*)&animal2);
    printf("age offset = %ld\n", (char*)&animal2.age - (char*)&animal2);
}
output： 
-----sizeof-----
sizeof(food) = 8
sizeof(age) = 2
sizeof(color) = 8
sizeof(gender) = 5
-----EmptyAnimal-----
sizeof(struct EmptyAnimal) = 0
-----Animal1-----
sizeof(struct Animal1) = 28
food offset = 0
age offset = 8
color offset = 12
name offset = 20
-----Animal2-----
sizeof(struct Animal2) = 24
color offset = 0
food offset = 8
name offset = 16
age offset = 22
注：empty struct的sizeof为1(非0最小值)，若为0，empty struct对象不分配内存，就没有相应地址了，显然不符逻辑 struct内存对齐规则：
  • struct成员对齐：align_offset = min(pack(n), 成员对齐字长)，确保struct成员的offset被align_offset整除，如果struct成员为数组类型，成员对齐字长为数组元素类型对齐字长，如果struct成员为struct，成员对齐字长为struct对齐字长，其余类型对齐字长为类型的sizeof值
  • struct对齐字长：align_size = min(pack(n), 成员最大对齐字长)，当struct作为其他struct成员或struct数组元素时，align_size即为struct类型对齐字长
注：#pragma pack(n)设置n字节对齐，n可取1，2，4，8等，pack默认取4 当#pragma pack(4)时，根据struct内存对齐规则
  • animal1的内存布局：FFFF FFFF AAPP CCCC CCCC NNNN NPPP(0:8:12:20)
  • animal2的内存布局：CCCC CCCC FFFF FFFF NNNN NPAA(0:8:16:22)
假设#pragma pack(2)，根据struct内存对齐规则
  • animal1的内存布局：FFFF FFFF AACC CCCC CCNN NNNP(0:8:10:18)
  • animal2的内存布局：CCCC CCCC FFFF FFFF NNNN NPAA(0:8:16:22)
假设#pragma pack(8)，根据struct内存对齐规则
  • animal1的内存布局：FFFF FFFF AAPP PPPP CCCC CCCC NNNN NPPP(0:8:16:24)
  • animal2的内存布局：CCCC CCCC FFFF FFFF NNNN NPAA(0:8:16:22)
注：F = food，A = age，C = color，N = name，P = padding

内存对齐作用

主要作用：
  • 平台原因(移植原因)，不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常
  • 性能原因，经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升
内存空间是线性的，由一个个的字节组成，如下图： c——复合类型——struct union 内存对齐但CPU并不是这么看待的，CPU把内存当成是以块为单位的，块的大小可以是1，2，4，8，16字节，因此CPU在读取内存时以块大小进行读取，块大小称为memory access granularity，即内存读取粒度，如下图： c——复合类型——struct union 内存对齐假设CPU要读取一个int型4字节的数据到寄存器，分两种情况讨论：
  • 数据从0字节开始
  • 数据从1字节开始
注：假设内存读取粒度为4 当该数据是从0字节开始时，CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中 c——复合类型——struct union 内存对齐当该数据是从1字节开始时，此时该int型数据不是位于内存读取边界上，即内存未对齐数据，此时CPU先访问一次内存，读取0-3字节的数据进寄存器，并再次读取4-7字节的数据进寄存器，接着把0，5，6，7字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器，显然，对一个内存未对齐数据进行了许多额外的操作，大大降低了CPU性能 c——复合类型——struct union 内存对齐注：内存对齐的作用之一为平台移植，因为上述操作只有部分CPU支持，一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了

union

从struct角度理解union，union是一种特殊的struct：
  • union是所有成员相对于首地址的offset均为0的struct
union内存对齐规则：
  • union成员对齐：union所有成员相对于首地址的offset均为0，0可被任何数整除，因此union成员自然对齐
  • union对齐字长：align_size = min(pack(n), 成员最大对齐字长)，当union作为struct(union)成员或union数组元素时，align_size即为union类型对齐字长
标签：

相关文章