字节对其详解

什么是字节对齐

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#include<stdio.h>

struct{
    int x;
    char y;
} s;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(s));  // 输出8
    return 0;
}

计算机中内存大小的基本单位是字节（byte），理论上来讲，可以从任意地址访问某种基本数据类型，但是实际上，计算机并非逐字节大小读写内存，而是以2,4,或8的 倍数的字节块来读写内存，如此一来就会对基本数据类型的合法地址作出一些限制，即它的地址必须是2，4或8的倍数。那么就要求各种数据类型按照一定的规则在空间上排列，这就是对齐。

对齐准则

  • 结构体变量的首地址能够被其对齐字节数大小所整除。
  • 结构体每个成员相对结构体首地址的偏移都是成员大小的整数倍，如不满足，对前一个成员填充字节以满足。
  • 结构体的总大小为结构体对齐字节数大小的整数倍，如不满足，最后填充字节以满足。

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”（也叫对齐模数）。gcc中默认#pragma pack(4)，可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n = 1,2,4,8,16来改变这一系数。

有效对其值：是给定值#pragma pack(n)和结构体中最长数据类型长度中较小的那个。有效对齐值也叫对齐单位。

  1. 结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。
  2. 结构体的总大小为 有效对齐值 的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节
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#include <stdio.h>
struct {
  int i;
  char c1;
  char c2;
} x1;

struct {
  char c1;
  int i;
  char c2;
} x2;

struct {
  char c1;
  char c2;
  int i;
} x3;

int main() {
  printf("%d\n", sizeof(x1)); // 输出8
  printf("%d\n", sizeof(x2)); // 输出12
  printf("%d\n", sizeof(x3)); // 输出8
  return 0;
}

linux下默认#pragma pack(4)，且结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节。

以x2来分析其内存布局：

首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

  1. sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
  2. sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
  3. sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

s2中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

g

如果前面加上#pragma pack(2)，有效对齐值为2字节，此时根据对齐规则，三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下：

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代码如下：

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#pragma pack(2)
#include <stdio.h>
struct {
  int i;
  char c1;
  char c2;
} x1;

struct {
  char c1;
  int i;
  char c2;
} x2;

struct {
  char c1;
  char c2;
  int i;
} x3;

int main() {
  printf("%d\n", sizeof(x1)); // 输出6
  printf("%d\n", sizeof(x2)); // 输出8
  printf("%d\n", sizeof(x3)); // 输出6
  return 0;
}