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周梦康 发表于 2017-10-23 3251 次浏览 标签 : CC语言快速入门

鸟哥微博

为什么要字节对齐

需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。因为CPU每次都是从以4字节(32位CPU)或是8字节(64位CPU)的整数倍的内存地址中读进数据的。(更深入的原因,谁告知下),如果不对齐的话,很有可能一个4字节int需要分两次读取。具体演示看下面的实验。

数据类型自身的对齐值

按各数据类型自身大小进行对齐。变量的内存地址正好位于它长度的整数倍

实验

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{   
    char a = 1; // 0x7fff5fbff77f,sizeof(a):1
    int  b = 1; // 0x7fff5fbff778,sizeof(b):4
    int  c = 1; // 0x7fff5fbff774,sizeof(c):4
    char d = 1; // 0x7fff5fbff773,sizeof(e):1
    int  e = 1; // 0x7fff5fbff76c,sizeof(f):4
    
    printf("%p,sizeof(a):%lu\n",&a,sizeof(a));
    printf("%p,sizeof(b):%lu\n",&b,sizeof(b));
    printf("%p,sizeof(c):%lu\n",&c,sizeof(c));
    printf("%p,sizeof(d):%lu\n",&d,sizeof(d));
    printf("%p,sizeof(e):%lu\n",&e,sizeof(e));

    return 0;
}

辅助以图片说明,该图左侧是上面代码的内存图,灰色部分表示该程序未使用的内存。右侧是在上面代码的基础上在char a后面声明了一个short f

为什么鸟哥说 int 再怎么随机也申请不到奇数地址

从上面的实验和图上我们可以找出以下规律:

  1. abcde 五个变量的内存地址从大到下依次分配的;
  2. 如果你细看,会发现它们的内存地址并不是紧密挨着的;
  3. 而且int 类型的变量的内存地址都是偶数(这也就是为什么鸟哥微博中说的不可能存在奇数的 int 变量的地址了);
  4. 再细看,发现 int 变量的地址都是可以被4整除,所以在栈上各变量是按各数据类型自身大小进行对齐的。
  5. 新增的short f 地址也并没有紧挨着a,而是跟自身数据大小对齐,也就是偶数地址开始申请。
  6. 栈上各个变量申请的内存,返回的地址是这段连续内存的最小的地址。

反过来想,如果不对齐,比如上例中的 a,b,c 三个变量的内存地址紧挨着,而CPU每次只读取8个字节,也就是说变量 c 还有最后一个字节没有读取进来。访问数据效率就降低了。

栈上各个变量申请的内存,返回的地址是这段连续内存的最小的地址。这是怎么回事呢?

我们还是通过实验来验证下我上面画的内存图,假如我有一个int变量,它的值占了满了4个字节,那么它的四个字节里是怎么存放数据的,我们用十六进制来演示0x12345678

  1. 为什么用一个8位的十六进制来呢?因为int 4个字节,一个字节有8位,每位有0/1两个状态,那么就是2^8=256,也就是16^2。所以用了一个8位的16进制数正好可以填满一个 int 的内存。
  2. 为什么用12345678,纯属演示方便。

我先存了变量 b,然后以 char 指针 p 来依次访问 b 的四个字节的使用情况。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char a = 1;             // 0x7fff5fbff777
    int  b = 0x12345678;    // 0x7fff5fbff770
    char c = 1;             // 0x7fff5fbff76f
    printf("%p\n",&a);
    printf("%p\n",&b);
    printf("%p\n",&c);

    char *p = (char *)&b;
    
    printf("%x %x %x %x\n", p[0],p[1],p[2],p[3]); // 78 56 34 12
    printf("%p %p %p %p\n", &p[0],&p[1],&p[2],&p[3]); // 0x7fff5fbff770 0x7fff5fbff771 0x7fff5fbff772 0x7fff5fbff773
        
    return 0;
}

变量 b 0x12345678的最高位是0x12,最低位是0x78
针对实验结果我又画了内存图,我们可以看到0x12存放在的内存地址要比0x78的大。

这里呢就必须说明下 大小端模式

  1. 小端法(Little-Endian)就是低位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址,高位字节排放在内存的高地址端。
  2. 大端法(Big-Endian)就是高位字节排放在内存的低地址端即该值的起始地址,低位字节排放在内存的高地址端。

所以,我当前的环境是小端序的形式。

为什么会有大端小端之分?
这个就得问硬件厂商了,都比较任性,所以历史就这样了。

结构体里的字节对齐

以成员中自身对齐值最大的那个值为标准。

实验

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct str1{
        char a;
        short b;
        int c;
    };
    
    printf("sizeof(f):%lu\n",sizeof(struct str1));
    
    struct str2{
        char a;
        int c;
        short b;
    };
    
    printf("sizeof(g):%lu\n",sizeof(struct str2));
    
    struct str1 a;
    printf("a.a %p\n",&a.a);
    printf("a.b %p\n",&a.b);
    printf("a.c %p\n",&a.c);
    
    struct str2 b;
    printf("b.a %p\n",&b.a);
    printf("b.c %p\n",&b.c);
    printf("b.b %p\n",&b.b);

    
    return 0;
}

结果

sizeof(f):8
sizeof(g):12
a.a 0x7fff5fbff778
a.b 0x7fff5fbff77a
a.c 0x7fff5fbff77c
b.a 0x7fff5fbff768
b.c 0x7fff5fbff76c
b.b 0x7fff5fbff770

原理

灰色表填充用来对齐,保证最后结构体大小是最长的成员的大小的整数倍。

例外

实际工作中是否不按字节对齐的情况呢?

有的,在网络程序中采用#pragma pack(1),即变量紧缩,不但可以减少网络流量,还可以兼容各种系统,不会因为系统对齐方式不同而导致解包错误。比如我们的 rpc 框架里面进行数据传输的时候,会选择设置为紧凑型,采用#pragma pack(1),这样就可以轻松做到跨平台,跨语言了。

实战举例 yar_header 中使用 #pragma pack(1) 和 attribute ((packed)) 的意义
这个链接是我之前学习鸟哥 yar 这个 rpc 框架的时候记录的,只有当网络传输的数据是紧凑的,在实现 java 客户端的时候,我才能按照各变量类型大小来根据传输的“对象”或者“结构体”来“切割”得出各个成员变量。
有兴趣的大家可以看下。

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评论列表

回复 daryl 2017-10-26 09:44:31
前段时间刚在书上看到关于内存对齐的= =
回复 梦康 2017-10-30 14:51:23
回复daryl: 我也理解的不透彻~所以做个笔记
回复 easy 2017-10-31 14:46:21
struct str1{
char a;
short b;
char c;
int d;
};
这样定义结构体,a.c补齐为四位,而非两位,感觉这个样更好理解
回复 吴振宇 2017-11-04 12:05:58
回复daryl: 我这次真服了 哪都能看到你
回复 daotu 2017-11-07 12:30:49
厉害ccccc
回复 Michel 2018-01-04 20:00:41
结构体的例子还是没想明白,为啥内存没有自己优化下?