C語(yǔ)言的那些小秘密之字節(jié)對(duì)齊

　　可能有不少讀者會(huì)問(wèn)，字節(jié)對(duì)齊有必要拿出來(lái)單獨(dú)寫(xiě)一篇博客嘛?我覺(jué)得是很有必要，但是它卻是被很多人所忽視的一個(gè)重點(diǎn)。那么我們使用字節(jié)對(duì)齊的作用和原因是什么呢?由于硬件平臺(tái)之間對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上是有很大不同的，一些平臺(tái)對(duì)某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開(kāi)始存取，如通常有些架構(gòu)的CPU要求在編程時(shí)必須保證字節(jié)對(duì)齊，否則訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。而有些平臺(tái)可能沒(méi)有這種情況，但是通常的情況是如果我們編程的時(shí)候不按照適合其平臺(tái)要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如我們操作一個(gè)int型數(shù)據(jù)，如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就可能會(huì)需要2個(gè)讀周期，兩個(gè)周期讀取出來(lái)的字節(jié)我們還要對(duì)它們進(jìn)行高低字節(jié)的拼湊才能得到該int型數(shù)據(jù)，從而使得我們的讀取效率較低，這也從側(cè)面反映出了一個(gè)問(wèn)題，就是我們很多時(shí)候是在犧牲空間來(lái)節(jié)省時(shí)間的。

　　可能看了上面的講解你還是不太明白，那我們?cè)賮?lái)看一次什么是字節(jié)對(duì)齊呢? 我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照字節(jié)來(lái)進(jìn)行劃分的，從理論上來(lái)講的話(huà)似乎對(duì)任何類(lèi)型的變量的訪(fǎng)問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，然而值得注意的就是，實(shí)際情況下在訪(fǎng)問(wèn)特定變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪(fǎng)問(wèn)，從而就需要各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。

　　按照預(yù)先的計(jì)劃安排，這次應(yīng)該是寫(xiě)《C語(yǔ)言的那些小秘密之鏈表(三)》的，但是我發(fā)現(xiàn)如果直接開(kāi)始講解linux內(nèi)核鏈表的話(huà)，可能有些地方如果我們不在此做一個(gè)適當(dāng)?shù)闹v解的話(huà)，有的讀者看起來(lái)可能難以理解，所以就把字節(jié)對(duì)齊挑出來(lái)另寫(xiě)一篇博客，我在此盡可能的講解完關(guān)于字節(jié)對(duì)齊的內(nèi)容，希望我的講解對(duì)你有所幫助。

　　在此之前我們不得不提的一個(gè)操作符就是sizeof，其作用就是返回一個(gè)對(duì)象或者類(lèi)型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。我們?yōu)槭裁床辉诖朔Q(chēng)之為sizeof()函數(shù)呢?看看下面一段代碼：

　　[html] view plaincopy#include

　　void print()

　　{

　　printf("hello world!n");

　　return ;

　　}

　　void main()

　　{

　　printf("%dn",sizeof(print()));

　　return ;

　　}

　　這段代碼在linux環(huán)境下我采用gcc編譯是沒(méi)有任何問(wèn)題的，對(duì)于void類(lèi)型，其長(zhǎng)度為1，但是如果我們?cè)趘c6下面運(yùn)行的話(huà)話(huà)就會(huì)出現(xiàn)illegal sizeof operand錯(cuò)誤，所以我們稱(chēng)之為操作符更加的準(zhǔn)確些，既然是操作符，那么我們來(lái)看看它的幾種使用方式：

　　1、sizeof( object ); // sizeof( 對(duì)象 );

　　2、 sizeof( type_name ); // sizeof( 類(lèi)型 );

　　3、sizeof object; // sizeof 對(duì)象; 通常這種寫(xiě)法我們?cè)诖a中都不會(huì)使用，所以很少見(jiàn)到。

　　下面來(lái)看段代碼加深下印象：

　　[html] view plaincopy#include

　　void main()

　　{

　　int i;

　　printf("sizeof(i):t%dn",sizeof(i));

　　printf("sizeof(4):t%dn",sizeof(4));

　　printf("sizeof(4+2.5):t%dn",sizeof(4+2.5));

　　printf("sizeof(int):t%dn",sizeof(int));

　　printf("sizeof 5:t%dn",sizeof 5);

　　return ;

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[html] view plaincopysizeof(i): 4

　　sizeof(4): 4

　　sizeof(4+2.5): 8

　　sizeof(int): 4

　　sizeof 5: 4

　　Press any key to continue

　　從運(yùn)行結(jié)果我們可以看出上面的幾種使用方式，實(shí)際上，sizeof計(jì)算對(duì)象的大小也是轉(zhuǎn)換成對(duì)對(duì)象類(lèi)型的計(jì)算，也就是說(shuō)，同種類(lèi)型的不同對(duì)象其sizeof值都是一樣的。從給出的代碼中我們也可以看出sizeof可以對(duì)一個(gè)表達(dá)式求值，編譯器根據(jù)表達(dá)式的最終結(jié)果類(lèi)型來(lái)確定大小，但是一般不會(huì)對(duì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算或者當(dāng)表達(dá)式為函數(shù)時(shí)并不執(zhí)行函數(shù)體。如：

　　[html] view plaincopy#include

　　int print()

　　{

　　printf("Hello bigloomy!");

　　return 0;

　　}

　　void main()

　　{

　　printf("sizeof(print()):t%dn",sizeof(print()));

　　return ;

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[html] view plaincopysizeof(print()): 4

　　Press any key to continue

　　從結(jié)果我們可以看出print()函數(shù)并沒(méi)有被調(diào)用。

　　接下來(lái)我們來(lái)看看linux內(nèi)核鏈表里的一個(gè)宏：

　　#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

　　對(duì)這個(gè)宏的講解我們大致可以分為以下4步進(jìn)行講解：

　　1、( (TYPE *)0 ) 0地址強(qiáng)制 "轉(zhuǎn)換" 為 TYPE結(jié)構(gòu)類(lèi)型的指針;

　　2、((TYPE *)0)->MEMBER 訪(fǎng)問(wèn)TYPE結(jié)構(gòu)中的MEMBER數(shù)據(jù)成員;

　　3、&( ( (TYPE *)0 )->MEMBER)取出TYPE結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)成員MEMBER的地址;

　　4、(size_t)(&(((TYPE*)0)->MEMBER))結(jié)果轉(zhuǎn)換為size_t類(lèi)型。

　　宏offsetof的巧妙之處在于將0地址強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 TYPE結(jié)構(gòu)類(lèi)型的指針，TYPE結(jié)構(gòu)以?xún)?nèi)存空間首地址0作為起始地址，則成員地址自然為偏移地址?？赡苡械淖x者會(huì)想是不是非要用0呢?當(dāng)然不是，我們僅僅是為了計(jì)算的簡(jiǎn)便。也可以使用是他的值，只是算出來(lái)的結(jié)果還要再減去該數(shù)值才是偏移地址。來(lái)看看下面的代碼：

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)4)->MEMBER)

　　typedef struct stu1

　　{

　　int a;

　　int b;

　　}stu1;

　　void main()

　　{

　　printf("offsetof(stu1,a):t%dn",offsetof(stu1,a)-4);

　　printf("offsetof(stu1,b):t%dn",offsetof(stu1,b)-4);

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[cpp] view plaincopyoffsetof(stu1,a): 0

　　offsetof(stu1,b): 4

　　Press any key to continue

　　為了讓讀者加深印象，我們這里在代碼中沒(méi)有使用0，而是使用的4，所以在最終計(jì)算出的結(jié)果部分減去了一個(gè)4才是偏移地址，當(dāng)然實(shí)際使用中我們都是用的是0。

　　懂了上面的宏offsetof之后我們?cè)賮?lái)看看下面的代碼：

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

　　typedef struct stu1

　　{

　　int a;

　　char b[1];

　　int c;

　　}stu1;

　　void main()

　　{

　　printf("offsetof(stu1,a):t%dn",offsetof(stu1,a));

　　printf("offsetof(stu1,b):t%dn",offsetof(stu1,b));

　　printf("offsetof(stu1,c):t%dn",offsetof(stu1,c));

　　printf("sizeof(stu1) :t%dn",sizeof(stu1));

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[cpp] view plaincopyoffsetof(stu1,a): 0

　　offsetof(stu1,b): 4

　　offsetof(stu1,c): 8

　　sizeof(stu1) : 12

　　Press any key to continue

　　對(duì)于字節(jié)對(duì)齊不了解的讀者可能有疑惑的是c的偏移量怎么會(huì)是8和結(jié)構(gòu)體的大小怎么會(huì)是12呢?因該是sizeof(int)+sizeof(char)+sizeof(int)=9。其實(shí)這是編譯器對(duì)變量存儲(chǔ)的一個(gè)特殊處理。為了提高CPU的存儲(chǔ)速度，編譯器對(duì)一些變量的起始地址做了對(duì)齊處理。在默認(rèn)情況下，編譯器規(guī)定各成員變量存放的起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量的類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù)?，F(xiàn)在來(lái)分析下上面的代碼，如果我們假定a的起始地址為0，它占用了4個(gè)字節(jié)，那么接下來(lái)的空閑地址就是4，是1的倍數(shù)，滿(mǎn)足要求，所以b存放的起始地址是4，占用一個(gè)字節(jié)。接下來(lái)的空閑地址為5，而c是int變量，占用4個(gè)字節(jié)，5不是4的整數(shù)倍，所以向后移動(dòng)，找到離5最近的8作為存放c的起始地址，c也占用4字節(jié)，所以最后使得結(jié)構(gòu)體的大小為12。現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看看下面的代碼：

　　[cpp] view plaincopy#include

　　typedef struct stu1

　　{

　　char array[7];

　　}stu1;

　　typedef struct stu2

　　{

　　double fa;

　　}stu2;

　　typedef struct stu3

　　{

　　stu1 s;

　　char str;

　　}stu3;

　　typedef struct stu4

　　{

　　stu2 s;

　　char str;

　　}stu4;

　　void main()

　　{

　　printf("sizeof(stu1) :t%dn",sizeof(stu1));

　　printf("sizeof(stu2) :t%dn",sizeof(stu2));

　　printf("sizeof(stu3) :t%dn",sizeof(stu3));

　　printf("sizeof(stu4) :t%dn",sizeof(stu4));

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[cpp] view plaincopysizeof(stu1) : 7

　　sizeof(stu2) : 8

　　sizeof(stu3) : 8

　　sizeof(stu4) : 16

　　Press any key to continue

　　分析下上面我們的運(yùn)行結(jié)果，重點(diǎn)是struct stu3和struct stu4，在struct stu3中使用的是一個(gè)字節(jié)對(duì)齊，因?yàn)樵趕tu1和stu3中都只有一個(gè)char類(lèi)型，在struct stu3中我們定義了一個(gè)stu1類(lèi)型的 s，而stu1所占的大小為7，所以加上加上接下來(lái)的一個(gè)字節(jié)str，sizeof(stu3)為8。在stu4中，由于我們定義了一個(gè)stu2類(lèi)型的s，而s是一個(gè)double類(lèi)型的變量，占用8字節(jié)，所以接下來(lái)在stu4中采用的是8字節(jié)對(duì)齊。如果我們此時(shí)假定stu4中的s從地址0開(kāi)始存放，占用8個(gè)字節(jié)，接下來(lái)的空閑地址就是8，根據(jù)我們上面的講解可知?jiǎng)偤每梢栽诖舜娣舠tr。所以變量都分配完空間后stu4結(jié)構(gòu)體所占的字節(jié)數(shù)為9，但9不是結(jié)構(gòu)體的邊界數(shù)，也就是說(shuō)我們要求分配的字節(jié)數(shù)為結(jié)構(gòu)體中占用空間最大的類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍，在這里也就是double類(lèi)型所占用的字節(jié)數(shù)8的整數(shù)倍，所以接下來(lái)還要再分配7個(gè)字節(jié)的空間，該7個(gè)字節(jié)的空間沒(méi)有使用，由編譯器自動(dòng)填充，沒(méi)有存放任何有意義的東西。

　　當(dāng)然我們也可以使用預(yù)編譯指令#pragma pack (value)來(lái)告訴編譯器，使用我們指定的對(duì)齊值來(lái)取代缺省的。接下來(lái)我們來(lái)看看一段代碼。

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#pragma pack (1) /*指定按1字節(jié)對(duì)齊*/

　　typedef union stu1

　　{

　　char str[10];

　　int b;

　　}stu1;

　　#pragma pack () /*取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊*/

　　typedef union stu2

　　{

　　char str[10];

　　int b;

　　}stu2;

　　void main()

　　{

　　printf("sizeof(stu1) :t%dn",sizeof(stu1));

　　printf("sizeof(stu2) :t%dn",sizeof(stu2));

　　}

　　運(yùn)行結(jié)果為：

　　[cpp] view plaincopysizeof(stu1) : 10

　　sizeof(stu2) : 12

　　Press any key to continue

　　現(xiàn)在來(lái)分析下上面的代碼。由于之前我們一直都在使用struct，所以在這里我們特地例舉了一個(gè)union的代碼來(lái)分析下，我們大家都知道union的大小取決于它所有的成員中占用空間最大的一個(gè)成員的大小。由于在union stu1中我們使用了1字節(jié)對(duì)齊，所以對(duì)于stu1來(lái)說(shuō)占用空間最大的是char str[10]類(lèi)型的數(shù)組,，其值為10。為什么stu1為10而stu2卻是12呢?因?yàn)樵趕tu2的上面我們使用了#pragma pack () ，取消指定對(duì)齊，恢復(fù)缺省對(duì)齊。所以由于stu2其中int類(lèi)型成員的存在，使stu2的對(duì)齊方式變成4字節(jié)對(duì)齊，也就是說(shuō)，stu2的大小必須在4的對(duì)界上，換句話(huà)說(shuō)就是stu2的大小要是4的整數(shù)倍，所以占用的空間變成了12。

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