Semantic Web Notes

说说C语言和内存对齐

我看东西，看得快，忘得也奇快。大概2星期重新研究过内存对齐，现在都快忘光了，于是赶紧再回忆一下。

所谓内存对齐，即使得数据所在内存地址的起点应尽量对齐(是某个值的公倍数)，而不是凌乱不堪的。一般我们把8个bit看成1一个byte，用byte来做存储的单位，其实也是一种内存对齐的机制——这样处理器访问数据只需要访问8的倍数即可。

内存对齐的目的很简单，这样有利于提供访问的速度（特别是在栈中）。对于对齐的内存地址，处理器访问一次即可得到，而未对齐的地址，可能需要访问两次才行。

那内存对齐的最小单位是什么呢？其实不同平台上不同的编译器都有自己的决定(猜的)，编译器的这个决定叫做默认对齐系数。我们在自己编写程序的时候很少会去注意到这个对齐问题，这个很正常，因为这机制本身就应该是对程序员透明的。但是，我们还是能够在程序中觉察到对齐机制的存在。如果程序员没有正确意识到对齐机制的存在，有的时候它甚至会让程序的行为不正确。我举个小小的例子来说明下。
假设有这样一个结构体

typedef struct ex{
	int c1;
	char c2;
        int c3;
}ve;  /*  1  */

我的运行环境是gcc4.0+, ubuntu8.04, 32位单核cpu，sizeof(char)是1，sizeof(int)是4，猜猜sizeof(ve)的值会是多少？如果程序员不清楚内存对齐的概念的话会认为这个值是6，但其实是12。在这里面，有4个成员需要对齐，c1,c2,c3,ve，c1,c2,c3跟ve的对齐规则并不一致。

c1,c2,c3的对齐过程如下（对齐系数是4的前提下）：假设第一个成员放在offset为0的位置，那么c1所占的内存就是[0~3]，而c2所占的内存是[4]，c3所占的内存不是[5~8]，而是[8~12]，但如果c3是char类型的话，c3所占的内存就是[5]。

所以结构体内成员的对齐规则如下：假设第一个成员的offset是0，则之后成员的对齐系数是系统的对齐系数（可以通过pragma pack(x)来指定）和自身长度两者间较小的值。比如，系统的对齐系数是4，而char的长度是1，那么char就按1对齐。而int的长度是4，于系统对齐系数一致，则按4对齐。

从上面这个规则，我们可以看到一个有趣的问题，在结构体内，成员的摆放顺序不同，结构体所占空间是不同的。比如，

typedef struct ex{
	char c1;
	char c2;
        int c3;
}ve; /*  2  */

与

typedef struct ex{
	char c1;
	int c3;
        char c2;
}ve; /*  3  */

，前者所占的空间是8，而后者所占空间是12。但是对于程序的逻辑而言，两者的定义是完全一致的。了解对齐规则是有好处的，至少我们写出来的结构体空间占用更小些。

说完了c1,c2,c3的对齐，下面说ve的对齐。sizeof(ve)的值事实上并不是如我们分析的c1,c2,c3对齐完之后所占空间的累加，它自身也是需要对齐的。结构体的对齐规则如下：取其成员中占用空间最长的值，我们的例子中是int类型，值是4，然后跟系统的对齐系数比较，取较小值为ve的对齐系数。如果我们在结构体2中，语句int c3;后面再加一句char temp;我们可以算出成员所占的空间是9，而ve所占的空间是12。

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