C/C++字节对齐规则

什么是字节对齐

现代计算机中内存空间按照字节划分理论可以从任何骑术地址访问任意类型的变量。但是实际访问中特定类型的变量经常在特定的内存地址访问这就需要各种类型数据按照一定规则在空间上排列而不是一个接一个地存放这就是对齐

对齐的原因和作用

但最常见的情况是如果不按照平台要求对数据存放进行对齐会带来存取效率上的损失。比如32位的Intel处理器通过总线访问(包括读和写)内存数据。每个总线周期从偶地址开始访问32位内存数据内存数据以字节为单位存放。如果一个32位的数据没有存放在4字节整除的内存地址处那么处理器就需要2个总线周期对其进行访问显然访问效率下降很多。

因此通过合理的内存对齐可以提高访问效率。为使CPU能够对数据进行快速访问数据的起始地址应具有“对齐”特性。比如4字节数据的起始地址应位于4字节边界上即起始地址能够被4整除。

此外合理利用字节对齐还可以有效地节省存储空间。但要注意在32位机中使用1字节或2字节对齐反而会降低变量访问速度。因此需要考虑处理器类型。还应考虑编译器的类型。在VC/C++和GNU GCC中都是默认是4字节对齐。

结构体对齐

在C语言中结构体是种复合数据类型其构成元素既可以是基本数据类型(如int、long、float等)的变量也可以是一些复合数据类型(如数组、结构体、联合等)的数据单元。编译器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储第一个成员的地址和整个结构的地址相同。字节对齐的问题主要就是针对结构体。

简单示例

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

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

结果sizeof(struct A) = 8,sizeof(struct B) = 12

结构体A中包含一个4字节的int数据一个1字节char数据和一个2字节short数据B也一样。按理说A和B大小应该都是7字节。之所以出现上述结果就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

对齐规则

首先了解一些基本概念

1. 数据类型自身的对齐值char型数据自身对齐值为1字节short型数据为2字节int/float型为4字节double为8字节
2. 结构体或类的自身对齐值其中成员自身对齐值最大的那个值
3. 指定对齐值#pragma pack(value)时的指定对齐值value
4. 数据成员、结构体类的有效对齐值自身对齐值和指定对齐值中较小者即有效对齐值=min{自身对齐值当前指定的pack值}

其中有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N表示“对齐在N上”即该数据的“存放起始地址%N=0”。而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序存放。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐存放结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(即结构体成员变量占用总长度为结构体有效对齐值的整数倍)。

字节对齐与具体编译器相关但一般都遵循以下三条规则

1. 结构、联合或类的数据成员第一个相对于首地址放在偏移为0的地方
2. 结构、联合或类的各成员相对于首地址的偏移量都是#pragma pack指定的数值和该成员大小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
3. 结构、联合或类的总大小为最宽基本类型成员大小与#pragma pack指定的数值中较小那个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。

C++无数据成员类

无数据成员的类包括空类编译器分配1个字节的内存空间。这样的意义在于创建的实例所指向的就是有意义的内存空间。

如果基类无数据成员C++标准允许派生类的第一个成员与基类共享地址基类并没有占据任何实际的空间。但若派生类的第一个成员类型仍然是基类编译器仍会为基类分配1字节的空间这是因为C++标准要求类型相同的对象必须地址不同。

指针的大小

有关寻址范围计算解释对于32位寻址的CPU其地址值为32位的二进制数所以可以表示的最大地址为2的32次方(即4G最大内存空间为4GB这里G表示数量、GB表示容量)。同时我们不难看出一个指针的值就是一个32位的二进制数32位对应 4字节(Byte)。所以指针的大小实际上是由CPU的寻址位数决定而不是字长。

参考

C/C++字节对齐规则_春日绿野的博客-CSDN博客_c++字节对齐规则