#字节对齐

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什么是字节对齐(可以跳过)

现代计算机中内存空间都是按照字节(byte)划分的,从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始,但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问,这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序地一个接一个地排放,这就是对齐.

字节对齐的好处(可以跳过)

为了提高效率,计算机从内存中取数据是按照一个固定长度的。以32位机为例,它每次取32个位,也就是4个字节(每字节8个位)。字节对齐有什么好处?以int型数据为例,如果它在内存中存放的位置按4字节对齐,也就是说1个int的数据全部落在计算机一次取数的区间内,那么只需要取一次就可以了.

如何对齐

通常,我们写程序的时候,不需要考虑对齐问题,编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。但是,正因为我们一般不需要关心这个问题,所以,如果编辑器对数据存放做了对齐,而我们不了解的话,常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果,例如:

typedef struct
{
    char  member1;
    short member2;
    int   member3;
}Family;

//打印长度
NSLog(@"Family size is %zd",sizeof(Family));

//输出结果
2016-07-22 15:34:29.081 Study[14587:5575156] Family size is 8

//下面我们更换一下成员变量位置,看看有什么效果

typedef struct
{
    char  member1;
    int   member3;
    short member2;
}Family;

//打印长度
NSLog(@"Family size is %zd",sizeof(Family));

//输出结果

2016-07-22 15:36:25.126 Study[14591:5575689] Family size is 12

那么问题来了,两个结构体的成员变量只是改变了下顺序,为什么占用的内存大小不同呢?

对齐原则:

  • char 偏移量必须为sizeof(char) 即1的倍数,可以任意地址开始存储
  • short 偏移量必须为sizeof(short) 即2的倍数,只能从0,2,4...等2的倍数的地址开始存储
  • int 偏移量必须为sizeof(int) 即4的倍数,只能从0,4,8...等4的倍数的地址开始存储
  • float 偏移量必须为sizeof(float) 即4的倍数,只能从0,4,8...等4的倍数的地址开始存储
  • double 偏移量必须为sizeof(double)即8的倍数,只能从0,8,16...等地址开始存储

根据以上原则,我们来分析:

typedef struct
{
    char  member1;
    short member2;
    int   member3;
}Family;

  • 这个结构体:member1占一个字节,即 存储位置为 0
  • member2占两个字节,根据上面原则,开始存储地址应该是2的倍数,即 2~3
  • member3占4个字节,根据原则,开始存储地址是4的倍数,即 4~7
  • 总共占用了0 ~ 7 共8个字节.
    内存存储图为:


    Paste_Image.png

下面分析:

typedef struct
{
    char  member1;
    int   member3;
    short member2;
}Family;

  • 这个结构体:member1占一个字节,即 0
  • member2占4个字节,根据上面原则,开始存储地址应该是4的倍数,即 4~7
  • member3占2个字节,根据上面原则,开始存储地址是2的倍数,即 8 ~ 9
    总共占用了0 ~ 9 应该是10个字节,但为什么实际却是12个字节呢 ?
    因为默认对齐方式是4字节(至于为什么,往下看),也就是说,总长度必须是4的倍数,因此长度既要大于10,还要是4的倍数,那就是12了.
    内存结构图为:


    Paste_Image.png

结构体如何设定字节对齐

  • 当未明确指定时,以结构体中最长的成员的长度为其有效值,上面的两个结构体都是int类型最长,也就是4字节对齐

  • 结构体作为成员:如果一个结构里有某些结构体成员,则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储.(struct a里存有struct b,b里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储.)

  • 结构体的总大小,也就是sizeof的结果,必须是其内部最大成员的整数倍.不足的要补齐.

  • 当用#pragma pack(n)指定时,以n和结构体中最长的成员的长度中较小者为其值.

  • 用#pragma pack()为还原字节对齐为默认值.

  • attribute ((packed)) 1字节对齐,此时结构体的长度就是各成员变量长度之和.

例如:

pragma pack 的用法

struct A {
    int   a;
    char  b;
    short c;
};

struct B {
    char  b;
    int   a;
    short c;
};

#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C {
    char  b;
    int   a;
    short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐,恢复缺省对齐*/



#pragma pack (1) /*指定按1字节对齐*/
struct D {
    char  b;
    int   a;
    short c;
};
#pragma pack ()/*取消指定对齐,恢复缺省对齐*/

//计算所占字节
int s1=sizeof(struct A);
    int s2=sizeof(struct B);
    int s3=sizeof(struct C);
    int s4=sizeof(struct D);
    
    printf("%d\n",s1);
    printf("%d\n",s2);
    printf("%d\n",s3);
    printf("%d\n",s4);
//输出结果:
8
12
8
7

attribute ((packed))的用法:
让指定的结构结构体按照 1 字节对齐,例如:

//不加packed修饰
typedef struct {
    char    version;
    int16_t sid;
    int32_t len;
    int64_t time;
} Header;

//计算长度
NSLog(@"size is %zd",sizeof(Header));
输出结果为:
2016-07-22 11:53:47.728 Study[14378:5523450] size is 16

可以看出,默认系统是按照4字节对齐

//加packed修饰
typedef struct {
    char    version;
    int16_t sid;
    int32_t len;
    int64_t time;
}__attribute__ ((packed)) Header;

//计算长度
NSLog(@"size is %zd",sizeof(Header));
输出结果为:
2016-07-22 11:57:46.970 Study[14382:5524502] size is 15

用packed修饰后,变为1字节对齐,这个常用于与协议有关的网络传输中.

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