C结构体中数据的内存对齐问题【转自hbyh专栏】

    技术2022-05-19  18

    最近在写一个服务器,需要使用结构体来格式化缓冲区,所以需要考虑结构体内存对齐的问题,于是,就google到了这篇文章,写得很深入透彻,于是转载到我这里来,纯属学习。

    1.先看下面的例子:struct A{   char c1;   int i;   short s;   int j;}a;struct B{   int i;   int j;     short s;   char c1;}b;结构A没有遵守字节对齐原则(为了区分,我将它叫做对齐声明原则),结构B遵守了。我们来看看在x86上会出现什么结果。先打印出a和b的各个成员的地址。会看到a中,各个成员间的间距是4个字节。b中,i和j,j和s都间距4个字节,但是s和c1间距2个字节。所以:sizeof(a) = 16sizeof(b) = 12为什么会有这样的结果呢?这就是x86上字节对齐的作用。为了加快程序执行的速度,一些体系结构以对齐的方式设计,通常以字长作为对齐边界。对于一些结构体变量,整个结构要对齐在内部成员变量最大的对齐边界,如B,整个结构以4为对齐边界,所以sizeof(b)为12,而不是11。对于A来讲,虽然声明的时候没有对齐,但是根据打印出的地址来看,编译器已经自动为其对齐了,所以每个成员的间距是4。在x86下,声明A与B唯一的差别,仅在于A多浪费了4个字节内存。(是不是某些特定情况下,B比A执行更快,这个还需要讨论。比如紧挨的两条分别取s和c1的指令)如果体系结构是不对齐的,A中的成员将会一个挨一个存储,从而sizeof(a)为11。显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢?体系结构的对齐和不对齐,是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w,那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。比如说读写时,大多数情况下需要读写w位数据,那么数据通道就会是w位。如果所有的数据访问都以w位对齐,那么访问还可以进一步加快,因为需要传输的地址位减少,寻址可以加快。大多数体系结构都是按照字长来对齐访问数据的。不对齐的时候,有的会出错,比如MIPS上会产生bus error,而x86则会进行多次访问来拼接得到的结果,从而降低执行效率。有些体系结构是必须要求对齐的,如sparc,MIPS。它们在硬件的设计上就强制性的要求对齐。不是因为它们作不到对齐的访问,而是它们认为这样没有意义。它们追求的是速度。上面讲了体系结构的对齐。在IA-32上面,sizeof(a)为16,就是对齐的结果。下面我们来看,为什么变量声明的时候也要尽量对齐。我们看到,结构A的声明并不对齐,但是它的成员地址仍是以4为边界对齐的(成员间距为4)。这是编译器的功劳。因为我所用的编译器gcc,默认是对齐的。而x86可以处理不对齐的数据访问,所以这样声明程序并不会出错。但是对于其他结构,只能访问对齐的数据,而编译器又不小心设置了不对齐的选项,则代码就不能执行了。如果按照B的方式声明,则不管编译器是否设置了对齐选项,都能够正确的访问数据。目前的开发普遍比较重视性能,所以对齐的问题,有三种不同的处理方法:1)     采用B的方式声明2)     对于逻辑上相关的成员变量希望放在靠近的位置,就写成A的方式。有一种做法是显式的插入reserved成员:          struct A{            char c1;            char reserved1[3];            int i;            short s;            char reserved2[2];            int j;}a;3)     随便怎么写,一切交给编译器自动对齐。代码中关于对齐的隐患,很多是隐式的。比如在强制类型转换的时候。下面举个例子:unsigned int ui_1=0x12345678;unsigned char *p=NULL;unsigned short *us_1=NULL;p=&ui_1;*p=0x00;us_1=(unsigned short *)(p+1);*us_1=0x0000;最后两句代码,从奇数边界去访问unsigned short型变量,显然不符合对齐的规定。在x86上,类似的操作只会影响效率,但是在MIPS或者sparc上,可能就是一个bus error(我没有试)。有些人喜欢通过移动指针来操作结构中的成员(比如在linux操作struct sk_buff的成员),但是我们看到,A中(&c1+1) 决不等于&i。不过B中(&s+2)就是 &c1了。所以,我们清楚了结构中成员的存放位置,才能编写无错的代码。同时切记,不管对于结构,数组,或者普通的变量,在作强制类型转换时一定要多看看:)不过为了不那么累,还是遵守声明对齐原则吧!(这个原则是说变量尽量声明在它的对齐边界上,而且在节省空间的基础上)2.C/C++函数调用方式我们当然早就知道,C/C++中的函数调用,都是以值传递的方式,而不是参数传递。那么,值传递是如何实现的呢?函数调用前的典型汇编码如下:push   

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