C语言深度解剖读书笔记(3.结构体中内存对齐问题) 读书笔记, 编译器, 结构体, C语言, 知识点

bingchentiao

多人都觉得内存对齐这个问题很难，很不好算，总算错，其实我想说只要你画一画就没那么难了。好了，进入正题。
本节知识点：1.结构体为什么要内存对齐(也叫字节对齐)：
其实我们都知道，结构体只是一些数据的集合，它本身什么都没有。我们所谓的结构体地址，其实就是结构体第一个元素的地址。这样，如果结构体各个元素之间不存在内存对齐问题，他们都挨着排放的。对于32位机，32位编译器(这是目前常见的环境，其他环境也会有内存对齐问题)，就很可能操作一个问题，就是当你想要去访问结构体中的一个数据的时候，需要你操作两次数据总线，因为这个数据卡在中间，如图：

在上图中，对于第2个short数据进行访问的时候，在32位机器上就要操作两次数据总线。这样会非常影响数据读写的效率，所以就引入了内存对齐的问题。
另外一层不太重要的原因是：某些硬件平台只能从规定的地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
2.内存对齐的规则：
    a.第一个成员起始于0偏移处
    b.每个成员按其类型大小和指定对齐参数n中较小的一个进行对齐
    c.结构体总长度必须为所有对齐参数的整数倍
    d.对于数组，可以拆开看做n个数组元素
3.来几个小例子，画画图，有助于理解：
第一个例子，代码如下：

[cpp] view plaincopy

• #include <stdio.h>
  
• struct _tag_str1  
• {  
•     char a;  
•     int b;  
•     short c;  
• }str1;  
• 
  
• struct _tag_str2  
• {  
•     char a;  
•     short c;  
•     int b;  
• }str2;  
• 
  
• int main()  
• {  
•     printf("sizeof str1 %d\n",sizeof(str1));  
•     printf("sizeof str2 %d\n",sizeof(str2));  
•     return 0;  
• }   

输出的结果分别是：str1为12    str2为8，分析的过程如下图：

看图很自然就知道了str1为12个字节，str2为8个字节。
第二个例子，上面的那个例子有好多问题还没有考虑到，比如说上面的那个例子在8字节对齐，和4字节对齐的情况都是一样的。结构体中嵌套结构体的内存对齐怎么算，所以就有了这个例子，代码如下：

[cpp] view plaincopy

• #include <stdio.h>
  
• 
  
• #pragma pack(8)
  
• //#pragma pack(4)
  
• struct S1  
• {  
•     short a;  
•     long b;  
• };  
• 
  
• struct S2  
• {  
•     char c;  
•     struct S1 d;  
•     double e;  
• };  
• 
  
• #pragma pack()
  
• 
  
• int main()  
• {  
•     struct S2 s2;  
• 
  
•     printf("%d\n", sizeof(struct S1));  
•     printf("%d\n", sizeof(struct S2));  
•     printf("%d\n", (int)&(s2.d) - (int)&(s2.c));  
• 
  
•     return 0;  
• }  

在Dev c++中，默认的是8字节对齐。我们分析下在4字节对齐的情况下输出的是，S2是20，S1是8，分析如图：


在4字节对齐的情况中，有一个问题值得注意：就是图中画1的地方。这里面本应short是可以上去的。但是对于结构体中的结构体一定要十分警惕，S1是一体的，short已经由于long进行了内存对齐，后面还空了两个字节的内存，其实此时的short已经变成了4个字节了！！！即结构体不可拆，不管是多少字节对齐，他们都是一体的。所有的圈都变成了叉。所以说结构体只能往前篡位置，不能改变整体。
我们在分析一些8字节对齐的情况，如图：


同样，到这里又有一个字节对齐的原则要好好重申一下：就是以什么为对齐参数，首先我们要知道编译器或者自己定义的是多少字节对齐的，这个数为n。然后我们要看这个结构体中的各个数据类型，找到所占字节数最大的类型，为m。如果n大于m，就以m为对齐参数，比如说一个4字节对齐的结构体中都是short，那这个结构体以什么为对齐参数，当然是2了，如果m大于n，就以n为对齐参数，比如说在4字节对齐的情况下的double类型。
以上就是我对内存对齐的小总结，最最想要说明的就是两大段红色的部分。