寄存地

In order to be irreplaceable, one must always be different

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C语言的字节对齐探究

环境如下(下文所有涉及类型长度都是以此环境为依据):

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# uname  -a
2.6.32-696.el6.i686 #1 SMP Tue Mar 21 18:53:30 UTC 2017 i686 i686 i386 GNU/Linux
# gcc -v
…………
gcc version 4.4.7 20120313 (Red Hat 4.4.7-18) (GCC)

32位类型所占字节数

类型长度(字节)
char1
short2
int3
float4
double8

缺省对齐

在C语言中,结构是一种复合数据类型,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、联合等)的数据单元。

在结构中,各个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。

结构内,编译器在默认情况下使结构成员按其类型长度对齐,即int类型成员对齐长度为4,double类型成员对齐长度为8。成员起始偏移(相对结构地址)必须是对齐长度或其倍数;不满足,则需要在前一个成员后添加空字节使其满足。

结构外(指作为整体单独计算或作为其他结构的成员计算),以结构内部最大成员类型长度对齐。

先对结构内对齐方式进行验证,代码如下(代码段1):

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue) printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct
{
char a;
double b;
short c;
}struct_a;

typedef struct
{
char a;
short b;
double c;
}struct_b;

int main(void)
{
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, a))
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, b))
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, c))
PRINTF(sizeof(struct_a))

PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
PRINTF(OFFSET_M(struct_b, c))
PRINTF(sizeof(struct_b))

return 0;
}

编译之后运行结果如下:

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# gcc  test.c ; ./a.out  
OFFSET_M(struct_a, a) is 0
OFFSET_M(struct_a, b) is 4
OFFSET_M(struct_a, c) is 12
sizeof(struct_a) is 16
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 4
sizeof(struct_b) is 12

运行结果与我们预想的不一样。struct_a中b的偏移应该为8,而不应该为4!

造成此结果的原因为:gcc编译器进行了一些优化,在32位系统中默认对齐长度为4字节,64位系统中默认对齐字节为8字节,因此对验证有影响。

为了消除此影响,代码转到线上编译器上运行。

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http://c.yxz.me/

http://codepad.org/

运行结果为:

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OFFSET_M(struct_a, a) is 0 
OFFSET_M(struct_a, b) is 8
OFFSET_M(struct_a, c) is 16
sizeof(struct_a) is 24
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 8
sizeof(struct_b) is 16

与预期相符:

  • struct_a,成员b在偏移8字节处对齐,a补齐7字节,b后跟c(2个字节),8 + 8 + 2 = 18 ,整体以成员最大长度8字节对齐,则最后再补齐6字节,结构体共占 24 字节。
  • struct_b,比较好分析,a占2字节(补齐1个),b占6字节(补齐4字节),c占用8字节,共16字节。

结构外对齐方式验证,代码如下(代码段2):

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue) printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct
{
char a;
double b;
short c;
}struct_a;

typedef struct
{
char a;
struct_a b;
}struct_b;

int main(void)
{
PRINTF(sizeof(struct_a))

PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
PRINTF(sizeof(struct_b))

return 0;
}

运行结果如下:

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sizeof(struct_a) is 24 
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 8
sizeof(struct_b) is 32

与预期相符。

改变缺省对齐

现有两种方式改变缺省对齐方式:

  1. 使用伪指令 #pragma pack (n)**,按照n个字节对齐。#pragma pack ()**,取消自定义字节对齐方式。
  2. __attribute((aligned (n))),让所作用的结构成员以n字节对齐。如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。

下面开始验证。修改代码段1

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#include <stdio.h>

#define PRINTF(intValue) printf(#intValue" is %d \n", (intValue));
#define OFFSET_M(struct, member) ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(2)

typedef struct
{
char a;
double b;
short c;
}struct_a;

typedef struct
{
char a;
short b;
double c;
}struct_b;

#pragma pack()

int main(void)
{
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, a))
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, b))
PRINTF(OFFSET_M(struct_a, c))
PRINTF(sizeof(struct_a))

PRINTF(OFFSET_M(struct_b, a))
PRINTF(OFFSET_M(struct_b, b))
PRINTF(OFFSET_M(struct_b, c))
PRINTF(sizeof(struct_b))

return 0;
}

通过以上方式,分别改为2、4、8、16字节对齐,运行结果为:

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#2字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0
OFFSET_M(struct_a, b) is 2
OFFSET_M(struct_a, c) is 10
sizeof(struct_a) is 12
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 4
sizeof(struct_b) is 12

#4字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0
OFFSET_M(struct_a, b) is 4
OFFSET_M(struct_a, c) is 12
sizeof(struct_a) is 16
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 4
sizeof(struct_b) is 12

#8字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0
OFFSET_M(struct_a, b) is 8
OFFSET_M(struct_a, c) is 16
sizeof(struct_a) is 24
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 8
sizeof(struct_b) is 16

#16字节对齐
OFFSET_M(struct_a, a) is 0
OFFSET_M(struct_a, b) is 8
OFFSET_M(struct_a, c) is 16
sizeof(struct_a) is 24
OFFSET_M(struct_b, a) is 0
OFFSET_M(struct_b, b) is 2
OFFSET_M(struct_b, c) is 8
sizeof(struct_b) is 16

分析运行结果,可得以下结论

  • 内部,配置对齐字节与成员缺省对齐字节相比,选择较小的。配置大于内部成员缺省最大对齐字节无意义。
  • 外部(或整体),配置对齐字节与内部成员缺省最大对齐字节,也选择较小的。

GCC编译代码(无自定义对齐)也可得相同结论。

三者同时存在时,也是按照“最小规则”处理。

参考资料

C语言中的数据对齐

C语言的字节对齐及#pragma pack的使用

内存对界