三.編譯器是按照什么樣的原則進行對齊的?
先讓我們看四個重要的基本概念:
1.數(shù)據(jù)類型自身的對齊值:
對于char型數(shù)據(jù),其自身對齊值為1,對于short型為2,對于int,float,double類型,其自身對齊值為4,單位字節(jié)。
2.結(jié)構(gòu)體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。
3.指定對齊值:#pragma pack (value)時的指定對齊值value。
4.數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
有了這些值,我們就可以很方便的來討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值,最重要。有效對齊N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該數(shù)據(jù)的"存放起始地址%N=0".而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊排放,結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度需要是對結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù)倍,結(jié)合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析:
分析例子B;
struct B
{
char b;
int a;
short c;
};
假設(shè)B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環(huán)境下,該值默認為4。第一個成員變量b的自身對齊值是1,比指定或者默認指定對齊值4小,所以其有效對齊值為1,所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二個成員變量a,其自身對齊值為4,所以有效對齊值也為4,所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個連續(xù)的字節(jié)空間中,復(fù)核0x0004%4=0,且緊靠第一個變量。第三個變量c,自身對齊值為 2,所以有效對齊值也是2,可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節(jié)空間中,符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內(nèi)容。再看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B的自身對齊值為其變量中最大對齊值(這里是b)所以就是4,所以結(jié)構(gòu)體的有效對齊值也是4。根據(jù)結(jié)構(gòu)體圓整的要求, 0x0009到0x0000=10字節(jié),(10+2)%4=0。所以0x0000A到0x000B也為結(jié)構(gòu)體B所占用。故B從0x0000到0x000B 共有12個字節(jié),sizeof(struct B)=12;其實如果就這一個就來說它已將滿足字節(jié)對齊了, 因為它的起始地址是0,因此肯定是對齊的,之所以在后面補充2個字節(jié),是因為編譯器為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)組的存取效率,試想如果我們定義了一個結(jié)構(gòu)B的數(shù)組,那么第一個結(jié)構(gòu)起始地址是0沒有問題,但是第二個結(jié)構(gòu)呢?按照數(shù)組的定義,數(shù)組中所有元素都是緊挨著的,如果我們不把結(jié)構(gòu)的大小補充為4的整數(shù)倍,那么下一個結(jié)構(gòu)的起始地址將是0x0000A,這顯然不能滿足結(jié)構(gòu)的地址對齊了,因此我們要把結(jié)構(gòu)補充成有效對齊大小的整數(shù)倍.其實諸如:對于char型數(shù)據(jù),其自身對齊值為1,對于short型為2,對于int,float,double類型,其自身對齊值為4,這些已有類型的自身對齊值也是基于數(shù)組考慮的,只是因為這些類型的長度已知了,所以他們的自身對齊值也就已知了.
同理,分析上面例子C:
#pragma pack (2) /*指定按2字節(jié)對齊*/
struct C
{
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復(fù)缺省對齊*/
第一個變量b的自身對齊值為1,指定對齊值為2,所以,其有效對齊值為1,假設(shè)C從0x0000開始,那么b存放在0x0000,符合0x0000%1= 0;第二個變量,自身對齊值為4,指定對齊值為2,所以有效對齊值為2,所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續(xù)字節(jié)中,符合0x0002%2=0。第三個變量c的自身對齊值為2,所以有效對齊值為2,順序存放
在0x0006、0x0007中,符合 0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節(jié)存放的是C的變量。又C的自身對齊值為4,所以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C 只占用0x0000到0x0007的八個字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.
四.如何修改編譯器的默認對齊值?
1.在VC IDE中,可以這樣修改:[Project]|[Settings],c/c++選項卡Category的Code Generation選項的Struct Member Alignment中修改,默認是8字節(jié)。
2.在編碼時,可以這樣動態(tài)修改:#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.
五.針對字節(jié)對齊,我們在編程中如何考慮?
如果在編程的時候要考慮節(jié)約空間的話,那么我們只需要假定結(jié)構(gòu)的首地址是0,然后各個變量按照上面的原則進行排列即可,基本的原則就是把結(jié)構(gòu)中的變量按照類型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補空間.還有一種就是為了以空間換取時間的效率,我們顯示的進行填補空間進行對齊,比如:有一種使用空間換時間做法是顯式的插入reserved成員:
struct A{
char a;
char reserved[3];//使用空間換時間
int b;
}
reserved成員對我們的程序沒有什么意義,它只是起到填補空間以達到字節(jié)對齊的目的,當然即使不加這個成員通常編譯器也會給我們自動填補對齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.
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