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當(dāng)在C中定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)類型時(shí)，它的大小是否等于各字段(field)大小之和？編譯器將如何在內(nèi)存中放置這些字段？ANSI C對(duì)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局有什么要求？而我們的程序又能否依賴這種布局？這些問題或許對(duì)不少朋友來說還有點(diǎn)模糊，那么本文就試著探究它們背后的秘密。
首先，至少有一點(diǎn)可以肯定，那就是ANSI C保證結(jié)構(gòu)體中各字段在內(nèi)存中出現(xiàn)的位置是隨它們的聲明順序依次遞增的，并且第一個(gè)字段的首地址等于整個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例的首地址。比如有這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)體： 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); // 上述斷言一定不會(huì)失敗 這時(shí)，有朋友可能會(huì)問:"標(biāo)準(zhǔn)是否規(guī)定相鄰字段在內(nèi)存中也相鄰?"。 唔，對(duì)不起，ANSI C沒有做出保證，你的程序在任何時(shí)候都不應(yīng)該依賴這個(gè)假設(shè)。那這是否意味著我們永遠(yuǎn)無法勾勒出一幅更清晰更精確的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局圖？哦，當(dāng)然不是。不過先讓我們從這個(gè)問題中暫時(shí)抽身，關(guān)注一下另一個(gè)重要問題————內(nèi)存對(duì)齊。 許多實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會(huì)要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個(gè)數(shù)k(通常它為4或8)的倍數(shù)，這就是所謂的內(nèi)存對(duì)齊，而這個(gè)k則被稱為該數(shù)據(jù)類型的對(duì)齊模數(shù)(alignment modulus)。當(dāng)一種類型S的對(duì)齊模數(shù)與另一種類型T的對(duì)齊模數(shù)的比值是大于1的整數(shù)，我們就稱類型S的對(duì)齊要求比T強(qiáng)(嚴(yán)格)，而稱T比S弱(寬松)。這種強(qiáng)制的要求一來簡(jiǎn)化了處理器與內(nèi)存之間傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二來可以提升讀取數(shù)據(jù)的速度。比如這么一種處理器，它每次讀寫內(nèi)存的時(shí)候都從某個(gè)8倍數(shù)的地址開始，一次讀出或?qū)懭?個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，假如軟件能保證double類型的數(shù)據(jù)都從8倍數(shù)地址開始，那么讀或?qū)懸粋€(gè)double類型數(shù)據(jù)就只需要一次內(nèi)存操作。否則，我們就可能需要兩次內(nèi)存操作才能完成這個(gè)動(dòng)作，因?yàn)閿?shù)據(jù)或許恰好橫跨在兩個(gè)符合對(duì)齊要求的8字節(jié)內(nèi)存塊上。某些處理器在數(shù)據(jù)不滿足對(duì)齊要求的情況下可能會(huì)出錯(cuò)，但是Intel的IA32架構(gòu)的處理器則不管數(shù)據(jù)是否對(duì)齊都能正確工作。不過Intel奉勸大家，如果想提升性能，那么所有的程序數(shù)據(jù)都應(yīng)該盡可能地對(duì)齊。Win32平臺(tái)下的微軟C編譯器(cl.exe for 80x86)在默認(rèn)情況下采用如下的對(duì)齊規(guī)則: 任何基本數(shù)據(jù)類型T的對(duì)齊模數(shù)就是T的大小，即sizeof(T)。比如對(duì)于double類型(8字節(jié))，就要求該類型數(shù)據(jù)的地址總是8的倍數(shù)，而char類型數(shù)據(jù)(1字節(jié))則可以從任何一個(gè)地址開始。Linux下的GCC奉行的是另外一套規(guī)則(在資料中查得，并未驗(yàn)證，如錯(cuò)誤請(qǐng)指正):任何2字節(jié)大小(包括單字節(jié)嗎?)的數(shù)據(jù)類型(比如short)的對(duì)齊模數(shù)是2，而其它所有超過2字節(jié)的數(shù)據(jù)類型(比如long,double)都以4為對(duì)齊模數(shù)。 現(xiàn)在回到我們關(guān)心的struct上來。ANSI C規(guī)定一種結(jié)構(gòu)類型的大小是它所有字段的大小以及字段之間或字段尾部的填充區(qū)大小之和。嗯？填充區(qū)？對(duì)，這就是為了使結(jié)構(gòu)體字段滿足內(nèi)存對(duì)齊要求而額外分配給結(jié)構(gòu)體的空間。那么結(jié)構(gòu)體本身有什么對(duì)齊要求嗎？有的，ANSI C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定結(jié)構(gòu)體類型的對(duì)齊要求不能比它所有字段中要求最嚴(yán)格的那個(gè)寬松，可以更嚴(yán)格(但此非強(qiáng)制要求，VC7.1就僅僅是讓它們一樣嚴(yán)格)。我們來看一個(gè)例子(以下所有試驗(yàn)的環(huán)境是Intel Celeron 2.4G + WIN2000 PRO + vc7.1，內(nèi)存對(duì)齊編譯選項(xiàng)是"默認(rèn)"，即不指定/Zp與/pack選項(xiàng)): typedef struct ms1 { char a; int b; } MS1; 假設(shè)MS1按如下方式內(nèi)存布局(本文所有示意圖中的內(nèi)存地址從左至右遞增): _____________________________ | | | | a | b | | | | +---------------------------+ Bytes: 1 4 因?yàn)镸S1中有最強(qiáng)對(duì)齊要求的是b字段(int)，所以根據(jù)編譯器的對(duì)齊規(guī)則以及ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，MS1對(duì)象的首地址一定是4(int類型的對(duì)齊模數(shù))的倍數(shù)。那么上述內(nèi)存布局中的b字段能滿足int類型的對(duì)齊要求嗎？嗯，當(dāng)然不能。如果你是編譯器，你會(huì)如何巧妙安排來滿足CPU的癖好呢？呵呵，經(jīng)過1毫秒的艱苦思考，你一定得出了如下的方案： _______________________________________ | |\\\\\\\\\\\| | | a |\\padding\\| b | | |\\\\\\\\\\\| | +-------------------------------------+ Bytes: 1 3 4 這個(gè)方案在a與b之間多分配了3個(gè)填充(padding)字節(jié)，這樣當(dāng)整個(gè)struct對(duì)象首地址滿足4字節(jié)的對(duì)齊要求時(shí)，b字段也一定能滿足int型的4字節(jié)對(duì)齊規(guī)定。那么sizeof(MS1)顯然就應(yīng)該是8，而b字段相對(duì)于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移就是4。非常好理解，對(duì)嗎？現(xiàn)在我們把MS1中的字段交換一下順序: typedef struct ms2 { int a; char b; } MS2; 或許你認(rèn)為MS2比MS1的情況要簡(jiǎn)單，它的布局應(yīng)該就是 _______________________ | | | | a | b | | | | +---------------------+ Bytes: 4 1 因?yàn)镸S2對(duì)象同樣要滿足4字節(jié)對(duì)齊規(guī)定，而此時(shí)a的地址與結(jié)構(gòu)體的首地址相等，所以它一定也是4字節(jié)對(duì)齊。嗯，分析得有道理，可是卻不全面。讓我們來考慮一下定義一個(gè)MS2類型的數(shù)組會(huì)出現(xiàn)什么問題。C標(biāo)準(zhǔn)保證，任何類型(包括自定義結(jié)構(gòu)類型)的數(shù)組所占空間的大小一定等于一個(gè)單獨(dú)的該類型數(shù)據(jù)的大小乘以數(shù)組元素的個(gè)數(shù)。換句話說，數(shù)組各元素之間不會(huì)有空隙。按照上面的方案，一個(gè)MS2數(shù)組array的布局就是: |<- array[1] ->|<- array[2] ->|<- array[3] ..... __________________________________________________________ | | | | | | a | b | a | b |............. | | | | | +---------------------------------------------------------- Bytes: 4 1 4 1 ___________________________________ | | |\\\\\\\\\\\| | a | b |\\padding\\| | | |\\\\\\\\\\\| +---------------------------------+ Bytes: 4 1 3 現(xiàn)在無論是定義一個(gè)單獨(dú)的MS2變量還是MS2數(shù)組，均能保證所有元素的所有字段都滿足對(duì)齊規(guī)定。那么sizeof(MS2)仍然是8，而a的偏移為0，b的偏移是4。 好的，現(xiàn)在你已經(jīng)掌握了結(jié)構(gòu)體內(nèi)存布局的基本準(zhǔn)則，嘗試分析一個(gè)稍微復(fù)雜點(diǎn)的類型吧。 typedef struct ms3 { char a; short b; double c; } MS3; 我想你一定能得出如下正確的布局圖: padding | _____v_________________________________ | |\| |\\\\\\\\\| | | a |\| b |\padding\| c | | |\| |\\\\\\\\\| | +-------------------------------------+ Bytes: 1 1 2 4 8 sizeof(short)等于2，b字段應(yīng)從偶數(shù)地址開始，所以a的后面填充一個(gè)字節(jié)，而sizeof(double)等于8，c字段要從8倍數(shù)地址開始，前面的a、b字段加上填充字節(jié)已經(jīng)有4 bytes，所以b后面再填充4個(gè)字節(jié)就可以保證c字段的對(duì)齊要求了。sizeof(MS3)等于16，b的偏移是2，c的偏移是8。接著看看結(jié)構(gòu)體中字段還是結(jié)構(gòu)類型的情況: typedef struct ms4 { char a; MS3 b; } MS4; MS3中內(nèi)存要求最嚴(yán)格的字段是c，那么MS3類型數(shù)據(jù)的對(duì)齊模數(shù)就與double的一致(為8)，a字段后面應(yīng)填充7個(gè)字節(jié)，因此MS4的布局應(yīng)該是: _______________________________________ | |\\\\\\\\\\\| | | a |\\padding\\| b | | |\\\\\\\\\\\| | +-------------------------------------+ Bytes: 1 7 16 顯然，sizeof(MS4)等于24，b的偏移等于8。 在實(shí)際開發(fā)中，我們可以通過指定/Zp編譯選項(xiàng)來更改編譯器的對(duì)齊規(guī)則。比如指定/Zpn(VC7.1中n可以是1、2、4、8、16)就是告訴編譯器最大對(duì)齊模數(shù)是n。在這種情況下，所有小于等于n字節(jié)的基本數(shù)據(jù)類型的對(duì)齊規(guī)則與默認(rèn)的一樣，但是大于n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)類型的對(duì)齊模數(shù)被限制為n。事實(shí)上，VC7.1的默認(rèn)對(duì)齊選項(xiàng)就相當(dāng)于/Zp8。仔細(xì)看看MSDN對(duì)這個(gè)選項(xiàng)的描述，會(huì)發(fā)現(xiàn)它鄭重告誡了程序員不要在MIPS和Alpha平臺(tái)上用/Zp1和/Zp2選項(xiàng)，也不要在16位平臺(tái)上指定/Zp4和/Zp8(想想為什么？)。改變編譯器的對(duì)齊選項(xiàng)，對(duì)照程序運(yùn)行結(jié)果重新分析上面4種結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局將是一個(gè)很好的復(fù)習(xí)。 到了這里，我們可以回答本文提出的最后一個(gè)問題了。結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存布局依賴于CPU、操作系統(tǒng)、編譯器及編譯時(shí)的對(duì)齊選項(xiàng)，而你的程序可能需要運(yùn)行在多種平臺(tái)上，你的源代碼可能要被不同的人用不同的編譯器編譯(試想你為別人提供一個(gè)開放源碼的庫)，那么除非絕對(duì)必需，否則你的程序永遠(yuǎn)也不要依賴這些詭異的內(nèi)存布局。順便說一下，如果一個(gè)程序中的兩個(gè)模塊是用不同的對(duì)齊選項(xiàng)分別編譯的，那么它很可能會(huì)產(chǎn)生一些非常微妙的錯(cuò)誤。如果你的程序確實(shí)有很難理解的行為，不防仔細(xì)檢查一下各個(gè)模塊的編譯選項(xiàng)。 思考題:請(qǐng)分析下面幾種結(jié)構(gòu)體在你的平臺(tái)上的內(nèi)存布局，并試著尋找一種合理安排字段聲明順序的方法以盡量節(jié)省內(nèi)存空間。 A. struct P1 { int a; char b; int c; char d; }; B. struct P2 { int a; char b; char c; int d; }; C. struct P3 { short a[3]; char b[3]; }; D. struct P4 { short a[3]; char *b[3]; }; E. struct P5 { struct P2 *a; char b; struct P1 a[2]; }; 參考資料: 【1】《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(修訂版)》， (著)Randal E.Bryant; David O‘Hallaron， (譯)龔奕利 雷迎春， 中國(guó)電力出版社，2004 【2】《C: A Reference Manual》(影印版)， (著)Samuel P.Harbison; Guy L.Steele， 人民郵電出版社，2003 ================================================================== 另一帖 【答疑】字長(zhǎng)對(duì)齊帶來的效率提升 作 者： goodluckyxl (被人遺忘的狗) 經(jīng)?？吹接腥藛柶饘?duì)齊有什么作用之類問題 因?yàn)榻裉旌屯抡劦搅薃RM平臺(tái)下數(shù)據(jù)總線寬度及對(duì)齊方式對(duì)程序效率的影響問題 在定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型時(shí)，為了提高系統(tǒng)效率，要注意字長(zhǎng)對(duì)齊原則。 正好有點(diǎn)感觸給大家談?wù)?本人水平有限的很有什么問題請(qǐng)朋友指正: 本文主要給大家解釋下所謂的對(duì)齊到底是什么?怎么對(duì)齊?為什么會(huì)對(duì)齊或者說對(duì)齊帶來什么樣的效率差異? 1． 先看下面的例子： #include <iostream.h> #pragma pack(4) struct A { char a; int b; }; #pragma pack() #pragma pack(1) struct B { char a; int b; }; #pragma pack() int main() { A a; cout<<sizeof(a);//8 B b; cout<<sizeof(b);//5 } 默認(rèn)的vc我記得是4字節(jié)對(duì)齊ADS下是一字節(jié)對(duì)齊 因?yàn)槭莄/c++社區(qū)大家對(duì)PC比較熟悉 我就談PC下的對(duì)齊 PC下設(shè)計(jì)放的太長(zhǎng)時(shí)間的有錯(cuò)誤就別客氣直接說 大家可以看到在ms的vc下按4字節(jié)對(duì)齊和1字節(jié)對(duì)齊的結(jié)果是截然不同的分別為8和5 為什么會(huì)有這樣的結(jié)果呢？這就是x86上字節(jié)對(duì)齊的作用。為了加快程序執(zhí)行的速度， 一些體系結(jié)構(gòu)以對(duì)齊的方式設(shè)計(jì)，通常以字長(zhǎng)作為對(duì)齊邊界。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)體變量， 整個(gè)結(jié)構(gòu)要對(duì)齊在內(nèi)部成員變量最大的對(duì)齊邊界，如A，整個(gè)結(jié)構(gòu)以4為對(duì)齊邊界，所以sizeof(a)為8，而不是5。 如果是原始我們概念下的的A中的成員將會(huì)一個(gè)挨一個(gè)存儲(chǔ) 應(yīng)該只有char+int只有5個(gè)字節(jié) 這個(gè)差異就是由于對(duì)齊導(dǎo)致的 顯然我們可以看到 A的對(duì)齊要比B浪費(fèi)3個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間 那為什么還要采取對(duì)齊呢？ 那是因?yàn)轶w系結(jié)構(gòu)的對(duì)齊和不對(duì)齊，是在時(shí)間和空間上的一個(gè)權(quán)衡。 字節(jié)對(duì)齊節(jié)省了時(shí)間。應(yīng)該是設(shè)計(jì)者考慮用空間換取時(shí)間。 為什么說對(duì)齊會(huì)提高效率呢節(jié)省時(shí)間？我想大家要理解的重點(diǎn)之重點(diǎn)就在這里了 在我們常用的PC下總線寬度是32位 1.如果是總線寬度對(duì)齊的話 那么所有讀寫操作都是獲取一個(gè)<=32位數(shù)據(jù)可以一次保證在數(shù)據(jù)總線傳輸完畢 沒有任何的額外消耗 |1|2|3|4|5|6|7|8| 從1開始這里是a的起始位置,5起始為b的位置 訪問的時(shí)候 如果訪問a一次在總線傳輸8位其他24位無效的 訪問b時(shí)則一次在總線上傳輸32完成 讀寫均是一次完整 插敘一下 讀操作先要將讀地址放到地址總線上然后下個(gè)時(shí)鐘周期再從外部 存儲(chǔ)器接口上讀回?cái)?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線返回需要兩個(gè)周期 而寫操作一次將地址及數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)總線就完成了 讀操作要比寫操作慢一半 2.我們看訪問數(shù)據(jù)時(shí)如果不對(duì)齊地址的情況 |1|2|3|4|5|6|7|8| 此時(shí)a的地址沒變還在1而因?yàn)槭遣粚?duì)齊則b的位置就在2處 這時(shí)訪問就帶來效率上問題 訪問a時(shí)沒問題還是讀會(huì)一個(gè)字節(jié) 但是2處地址因?yàn)椴皇强偩€寬度對(duì)齊一般的CPU在此地址操作將產(chǎn)生error 如sparc，MIPS。它們?cè)谟布脑O(shè)計(jì)上就強(qiáng)制性的要求對(duì)齊。在不對(duì)齊的地址上肯定發(fā)生錯(cuò)誤 但是x86是支持非對(duì)齊訪問的 它通過多次訪問來拼接得到的結(jié)果,具體做法就是從1地址處先讀回后三字節(jié)234 暫存起來 然后再由5地址處讀回一個(gè)字節(jié)5 與234進(jìn)行拼接組成一個(gè)完整的int也就是b返回 大家看看如此的操作帶來的消耗多了不止三倍很明顯在字長(zhǎng)對(duì)齊時(shí)效率要高許多 淡然這種效率僅僅是訪問多字節(jié)帶來的 如果還是進(jìn)行的byte操作那效率差不了多少 目前的開發(fā)普遍比較重視性能，所以對(duì)齊的問題，有2種不同的處理方法： 1） 有一種使用空間換時(shí)間做法是顯式的插入reserved成員： struct A{ char a; char reserved1[3];//使用空間換時(shí)間 int b; }a; 2） 隨便怎么寫，一切交給編譯器自動(dòng)對(duì)齊。 還有一種將邏輯相關(guān)的數(shù)據(jù)放在一起定義 代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。下面舉個(gè)例子： unsigned int i = 0x12345678; unsigned char *p=NULL; unsigned short *p1=NULL; p=&i; *p=0x00; p1=(unsigned short *)(p+1); *p1=0x0000; 最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪問unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。 在x86上，類似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error |
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