內(nèi)存管理

我們需要知道——變量，其實(shí)是內(nèi)存地址的一個(gè)抽像名字罷了。在靜態(tài)編譯的程序中，所有的變量名都會(huì)在編譯時(shí)被轉(zhuǎn)成內(nèi)存地址。機(jī)器是不知道我們?nèi)〉拿值模恢赖刂贰?/span>

內(nèi)存的使用時(shí)程序設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素之一，這不僅由于系統(tǒng)內(nèi)存是有限的（尤其在嵌入式系統(tǒng)中），而且內(nèi)存分配也會(huì)直接影響到程序的效率。因此，我們要對(duì)C語(yǔ)言中的內(nèi)存管理，有個(gè)系統(tǒng)的了解。

在C語(yǔ)言中，定義了4個(gè)內(nèi)存區(qū)間：代碼區(qū)；全局變量和靜態(tài)變量區(qū)；局部變量區(qū)即棧區(qū)；動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，即堆區(qū)；具體如下：

1>棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動(dòng)分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類(lèi)似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

2>堆區(qū)（heap）— 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類(lèi)似于鏈表。

3>全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—全局變量和靜態(tài)變量的存儲(chǔ)是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的 另一塊區(qū)域。- 程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

4>常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

5>程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼。


我們來(lái)看張圖：

圖1

首先我們要知道，源代碼編譯成程序，程序是放在硬盤(pán)上的，而非內(nèi)存里！只有執(zhí)行時(shí)才會(huì)被調(diào)用到內(nèi)存中！我們來(lái)看看程序結(jié)構(gòu)，ELF是是Linux的主要可執(zhí)行文件格式。ELF文件由4部分組成，分別是ELF頭（ELF header）、程序頭表（Program header table）、節(jié)（Section）和節(jié)頭表（Section header table）。具體如下：

1>Program header描述的是一個(gè)段在文件中的位置、大小以及它被放進(jìn)內(nèi)存后所在的位置和大小。即要加載的信息；

2>Sections保存著object 文件的信息，從連接角度看：包括指令，數(shù)據(jù)，符號(hào)表，重定位信息等等。在圖中，我們可以看到Sections中包括：

• text 文本結(jié) 存放指令；

• rodata 數(shù)據(jù)結(jié) readonly;

• data 數(shù)據(jù)結(jié) 可讀可寫(xiě)；

3>Section頭表（section header table）包含了描述文件sections的信息。每個(gè)section在這個(gè)表中有一個(gè)入口；每個(gè)入口給出了該section的名字，大小，等等信息。相當(dāng)于 索引！

而程序被加載到內(nèi)存里面，又是如何分布的呢？我們看看上圖中：

正文和初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)就是我們所說(shuō)的數(shù)據(jù)段，正文即代碼段；

2>正文段上面是常量區(qū)，常量區(qū)上面是全局變量和靜態(tài)變量區(qū)，二者占據(jù)的就是初始化的數(shù)據(jù)和未初始化的數(shù)據(jù)那部分；

3>再上面就是堆，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，這里是上增長(zhǎng)；

4>堆上面是棧，存放的是局部變量，就是局部變量所在代碼塊執(zhí)行完畢后，這塊內(nèi)存會(huì)被釋放，這里棧區(qū)是下增長(zhǎng)；

5>命令行參數(shù)就是001之類(lèi)的，環(huán)境變量什么的前面的文章已經(jīng)講過(guò)，有興趣的可以去看看。

我們知道，內(nèi)存分為動(dòng)態(tài)內(nèi)存和靜態(tài)內(nèi)存，我們先講靜態(tài)內(nèi)存。

靜態(tài)內(nèi)存

存儲(chǔ)模型決定了一個(gè)變量的內(nèi)存分配方式和訪(fǎng)問(wèn)特性，在C語(yǔ)言中主要有三個(gè)維度來(lái)決定：存儲(chǔ)時(shí)期 、作用域 、鏈接。

1、存儲(chǔ)時(shí)期

存儲(chǔ)時(shí)期：變量在內(nèi)存中的保留時(shí)間（生命周期）

存儲(chǔ)時(shí)期分為兩種情況，關(guān)鍵是看變量在程序執(zhí)行過(guò)程中會(huì)不會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)回收掉。

1) 靜態(tài)存儲(chǔ)時(shí)期 Static

在程序執(zhí)行過(guò)程中一旦分配就不會(huì)被自動(dòng)回收。

通常來(lái)說(shuō)，任何不在函數(shù)級(jí)別代碼塊內(nèi)定義的變量。

無(wú)論是否在代碼塊內(nèi)，只要采用static關(guān)鍵字修飾的變量。

2) 自動(dòng)存儲(chǔ)時(shí)期 Automatic

除了靜態(tài)存儲(chǔ)以外的變量都是自動(dòng)存儲(chǔ)時(shí)期的，或者說(shuō)只要是在代碼塊內(nèi)定義的非static的變量，系統(tǒng)會(huì)肚臍自動(dòng)非配和釋放內(nèi)存；

2、作用域

作用域：一個(gè)變量在定義該變量的自身文件中的可見(jiàn)性（訪(fǎng)問(wèn)或者引用）

在C語(yǔ)言中，一共有3中作用域：

1) 代碼塊作用域

在代碼塊中定義的變量都具有該代碼的作用域。從這個(gè)變量定義地方開(kāi)始，到這個(gè)代碼塊結(jié)束，該變量是可見(jiàn)的；

2) 函數(shù)原型作用域

出現(xiàn)在函數(shù)原型中的變量，都具有函數(shù)原型作用域，函數(shù)原型作用域從變量定義處一直到原型聲明的末尾。

3) 文件作用域

一個(gè)在所有函數(shù)之外定義的變量具有文件作用域，具有文件作用域的變量從它的定義處到包含該定義的文件結(jié)尾處都是可見(jiàn)的；

3、鏈接

鏈接：一個(gè)變量在組成程序的所有文件中的可見(jiàn)性（訪(fǎng)問(wèn)或者引用）；

C語(yǔ)言中一共有三種不同的鏈接：

1) 外部鏈接

如果一個(gè)變量在組成一個(gè)程序的所有文件中的任何位置都可以被訪(fǎng)問(wèn)，則稱(chēng)該變量支持外部鏈接；

2) 內(nèi)部鏈接

如果一個(gè)變量只可以在定義其自身的文件中的任何位置被訪(fǎng)問(wèn)，則稱(chēng)該變量支持內(nèi)部鏈接。

3) 空鏈接

如果一個(gè)變量只是被定義其自身的當(dāng)前代碼塊所私有，不能被程序的其他部分所訪(fǎng)問(wèn)，則成該變量支持空鏈接

我們來(lái)看一個(gè)代碼示例：

#include

inta = 0;// 全局初始化區(qū)

char*p1;//全局未初始化區(qū)

intmain()

{

intb;//b在棧區(qū)

chars[] = "abc";//棧

char*p2; //p2在棧區(qū)

char *p3 = "123456";//123456在常量區(qū)，p3在棧上。

static int c =0；//全局（靜態(tài)）初始化區(qū)

p1 = (char*)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20); //分配得來(lái)得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。

strcpy(p1, "123456");//123456放在常量區(qū)，編譯器可能會(huì)將它與p3所指向的"123456"優(yōu)化成一個(gè)地方。

}

1.2動(dòng)態(tài)內(nèi)存

當(dāng)程序運(yùn)行到需要一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的變量時(shí)，必須向系統(tǒng)申請(qǐng)取得堆中的一塊所需大小的存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)該變量。當(dāng)不在使用該變量時(shí)，也就是它的生命結(jié)束時(shí)，要顯示釋放它所占用的存儲(chǔ)空間，這樣系統(tǒng)就能對(duì)該空間 進(jìn)行再次分配，做到重復(fù)使用有線(xiàn)的資源。下面介紹動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的函數(shù)。

1.2.1 malloc 函數(shù)

malloc函數(shù)原型：

size是需要?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。若申請(qǐng)成功，函數(shù)返回申請(qǐng)到的內(nèi)存的起始地址，若申請(qǐng)失敗，返回NULL。我們看下面這個(gè)例子：

使用該函數(shù)時(shí)，有下面幾點(diǎn)要注意：

1）只關(guān)心申請(qǐng)內(nèi)存的大小；

2）申請(qǐng)的是一塊連續(xù)的內(nèi)存。記得一定要寫(xiě)出錯(cuò)判斷；

3）顯示初始化。即我們不知這塊內(nèi)存中有什么東西，要對(duì)其清零；

1.2.2 free函數(shù)

在堆上分配的額內(nèi)存，需要用free函數(shù)顯示釋放，函數(shù)原型如下：

使用free(),也有下面幾點(diǎn)要注意：

1）必須提供內(nèi)存的起始地址；

調(diào)用該函數(shù)時(shí)，必須提供內(nèi)存的起始地址，不能夠提供部分地址，釋放內(nèi)存中的一部分是不允許的。

2）malloc和free配對(duì)使用；

編譯器不負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的釋放，需要程序員顯示釋放。因此，malloc與free是配對(duì)使用的，避免內(nèi)存泄漏。

p = NULL是必須的，因?yàn)殡m然這塊內(nèi)存被釋放了，但是p仍指向這塊內(nèi)存，避免下次對(duì)p的誤操作；

3）不允許重復(fù)釋放

因?yàn)檫@塊內(nèi)存被釋放后，可能已另分配，這塊區(qū)域被別人占用，如果再次釋放，會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失；

1.2.3 其它相關(guān)函數(shù)

calloc函數(shù)分配內(nèi)存需要考慮存儲(chǔ)位置的類(lèi)型。

realloc函數(shù)可以調(diào)整一段動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的大小

1.3堆和棧比較

1）申請(qǐng)方式

stack: 由系統(tǒng)自動(dòng)分配。例如，聲明在函數(shù)中一個(gè)局部變量 int b; 系統(tǒng)自動(dòng)在棧中為b開(kāi)辟空間

heap: 需要程序員自己申請(qǐng)，并指明大小，在c中malloc函數(shù) ,如p1 = (char *)malloc(10);

2）申請(qǐng)后系統(tǒng)的響應(yīng)

棧：只要棧的剩余空間大于所申請(qǐng)空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。

堆：首先應(yīng)該知道操作系統(tǒng)有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表，當(dāng)系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，會(huì)遍歷該鏈表，尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序，另外，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，會(huì)在這塊內(nèi)存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語(yǔ)句才能正確的釋放本內(nèi)存空間。另外，由于找到的堆結(jié)點(diǎn)的大小不一定正好等于申請(qǐng)的大小，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3）申請(qǐng)大小的限制

棧：棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。這句話(huà)的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，棧的大小是2M（也有的說(shuō)是1M，總之是一個(gè)編譯時(shí)就確定的常數(shù)），如果申請(qǐng)的空間超過(guò)棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來(lái)存儲(chǔ)的空閑內(nèi)存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見(jiàn)，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4）申請(qǐng)效率的比較

棧由系統(tǒng)自動(dòng)分配，速度較快。但程序員是無(wú)法控制的。

堆是由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過(guò)用起來(lái)最方便。

5）堆和棧中的存儲(chǔ)內(nèi)容

棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句的下一條可執(zhí)行語(yǔ)句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開(kāi)始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容由程序員安排。

6）存取效率的比較

chars1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在運(yùn)行時(shí)刻賦值的；

而bbbbbbbbbbb是在編譯時(shí)就確定的；

但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針?biāo)赶虻淖址?例如堆)快。

比如：

對(duì)應(yīng)的匯編代碼

第一種在讀取時(shí)直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，再根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。

7）最后總結(jié)
堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來(lái)看出：

棧就像我們?nèi)ワ堭^里吃飯，只管點(diǎn)菜（發(fā)出申請(qǐng)）、付錢(qián)、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會(huì)切菜、洗菜等準(zhǔn)備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。

堆就象是自己動(dòng)手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

2 內(nèi)存對(duì)齊

2.1 #pragma pack(n) 對(duì)齊用法詳解

1.什么是對(duì)齊，以及為什么要對(duì)齊

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對(duì)任何類(lèi)型的變量的訪(fǎng)問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是在訪(fǎng)問(wèn)特定變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪(fǎng)問(wèn)，這就需要各類(lèi)型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。

對(duì)齊的作用和原因：各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對(duì)某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開(kāi)始存取。其他平臺(tái)可能沒(méi)有這種情況， 但是最常見(jiàn)的是如果不按照適合其平臺(tái)要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如果一個(gè)int型（假設(shè)為 32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就可能會(huì)需要2個(gè)讀周期，并對(duì)兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該int數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時(shí)間的博弈。

2.對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)

通常，我們寫(xiě)程序的時(shí)候，不需要考慮對(duì)齊問(wèn)題。編譯器會(huì)替我們選擇時(shí)候目標(biāo)平臺(tái)的對(duì)齊策略。當(dāng)然，我們也可以通知給編譯器傳遞預(yù)編譯指令而改變對(duì)指定數(shù)據(jù)的對(duì)齊方法。但是，正因?yàn)槲覀円话悴恍枰P(guān)心這個(gè)問(wèn)題，所以因?yàn)榫庉嬈鲗?duì)數(shù)據(jù)存放做了對(duì)齊，而我們不了解的話(huà)，常常會(huì)對(duì)一些問(wèn)題感到迷惑。最常見(jiàn)的就是struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的sizeof結(jié)果，出乎意料。為此，我們需要對(duì)對(duì)齊算法所了解。

作用：

指定結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合以及類(lèi)成員的packing alignment;

語(yǔ)法：

#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )

說(shuō)明：

1>pack提供數(shù)據(jù)聲明級(jí)別的控制，對(duì)定義不起作用；

2>調(diào)用pack時(shí)不指定參數(shù)，n將被設(shè)成默認(rèn)值；

3>一旦改變數(shù)據(jù)類(lèi)型的alignment，直接效果就是占用memory的減少，但是performance會(huì)下降；

3.語(yǔ)法具體分析

1>show：可選參數(shù)；顯示當(dāng)前packing aligment的字節(jié)數(shù)，以warning message的形式被顯示；

2>push：可選參數(shù)；將當(dāng)前指定的packing alignment數(shù)值進(jìn)行壓棧操作，這里的棧是the internal compiler stack，同時(shí)設(shè)置當(dāng)前的packing alignment為n；如果n沒(méi)有指定，則將當(dāng)前的packing alignment數(shù)值壓棧；

3>pop：可選參數(shù)；從internal compiler stack中刪除最頂端的record；如果沒(méi)有指定n，則當(dāng)前棧頂record即為新的packing alignment數(shù)值；如果指定了n，則n將成為新的packing aligment數(shù)值；如果指定了identifier，則internal compiler stack中的record都將被pop直到identifier被找到，然后pop出identitier，同時(shí)設(shè)置packing alignment數(shù)值為當(dāng)前棧頂?shù)膔ecord；如果指定的identifier并不存在于internal compiler stack，則pop操作被忽略；

4>identifier：可選參數(shù)；當(dāng)同push一起使用時(shí)，賦予當(dāng)前被壓入棧中的record一個(gè)名稱(chēng)；當(dāng)同pop一起使用時(shí)，從internal compiler stack中pop出所有的record直到identifier被pop出，如果identifier沒(méi)有被找到，則忽略pop操作；
5>n：可選參數(shù)；指定packing的數(shù)值，以字節(jié)為單位；缺省數(shù)值是8，合法的數(shù)值分別是1、2、4、8、16。

4.重要規(guī)則

1>復(fù)雜類(lèi)型中各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)類(lèi)型的地址相同；

2>每個(gè)成員分別對(duì)齊，即每個(gè)成員按自己的方式對(duì)齊，并最小化長(zhǎng)度；規(guī)則就是每個(gè)成員按其類(lèi)型的對(duì)齊參數(shù)（通常是這個(gè)類(lèi)型的大小）和指定對(duì)齊參數(shù)中較小的一個(gè)對(duì)齊；

3>結(jié)構(gòu)、聯(lián)合或者類(lèi)的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)放在偏移為0的地方；以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊，按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度兩個(gè)中比較小的那個(gè)進(jìn)行；也就是說(shuō)，當(dāng)#pragma pack指定的值等于或者超過(guò)所有數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度的時(shí)候，這個(gè)指定值的大小將不產(chǎn)生任何效果;

4>復(fù)雜類(lèi)型（如結(jié)構(gòu)）整體的對(duì)齊<注意是“整體”>是按照結(jié)構(gòu)體中長(zhǎng)度最大的數(shù)據(jù)成員和#pragma pack指定值之間較小的那個(gè)值進(jìn)行；這樣在成員是復(fù)雜類(lèi)型時(shí)，可以最小化長(zhǎng)度；

5>結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度的計(jì)算必須取所用過(guò)的所有對(duì)齊參數(shù)的整數(shù)倍，不夠補(bǔ)空字節(jié)；也就是取所用過(guò)的所有對(duì)齊參數(shù)中最大的那個(gè)值的整數(shù)倍，因?yàn)閷?duì)齊參數(shù)都是2的n次方；這樣在處理數(shù)組時(shí)可以保證每一項(xiàng)都邊界對(duì)齊；

5.對(duì)齊的算法
由于各個(gè)平臺(tái)和編譯器的不同，現(xiàn)以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器（32位x86平臺(tái)）為例子，來(lái)討論編譯器對(duì)struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各成員如何進(jìn)行對(duì)齊的。

在相同的對(duì)齊方式下，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部數(shù)據(jù)定義的順序不同，結(jié)構(gòu)體整體占據(jù)內(nèi)存空間也不同，如下：

設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義：

結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長(zhǎng)度的int一個(gè)，1字節(jié)長(zhǎng)度的char一個(gè)和2字節(jié)長(zhǎng)度的short型數(shù)據(jù)一個(gè)。所以A用到的空間應(yīng)該是7字節(jié)。但是因?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。所以使用sizeof(strcut A)值為8。
現(xiàn)在把該結(jié)構(gòu)體調(diào)整成員變量的順序。

這時(shí)候同樣是總共7個(gè)字節(jié)的變量，但是sizeof(struct B)的值卻是12。
下面我們使用預(yù)編譯指令#progma pack (value)來(lái)告訴編譯器，使用我們指定的對(duì)齊值來(lái)取代缺省的。

sizeof(struct C)值是8。
修改對(duì)齊值為1：

sizeof(struct D)值為7。

對(duì)于char型數(shù)據(jù)，其自身對(duì)齊值為1，對(duì)于short型為2，對(duì)于int,float,double類(lèi)型，其自身對(duì)齊值為4，單位字節(jié)。

6.四個(gè)概念值
1>數(shù)據(jù)類(lèi)型自身的對(duì)齊值：就是上面交代的基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的自身對(duì)齊值。

2>指定對(duì)齊值：#progma pack (value)時(shí)的指定對(duì)齊值value。

3>結(jié)構(gòu)體或者類(lèi)的自身對(duì)齊值：其數(shù)據(jù)成員中自身對(duì)齊值最大的那個(gè)值。

4>數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體和類(lèi)的有效對(duì)齊值：自身對(duì)齊值和指定對(duì)齊值中小的那個(gè)值。有了這些值，我們就可以很方便的來(lái)討論具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員和其自身的對(duì)齊方式。有效對(duì)齊值N是最終用來(lái)決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值，最重要。有效對(duì)齊N，就是表示“對(duì)齊在N上”，也就是說(shuō)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(lái)排放的。第一個(gè)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(duì)齊排放，結(jié)構(gòu)體本身也要根 據(jù)自身的有效對(duì)齊值圓整(就是結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長(zhǎng)度需要是對(duì)結(jié)構(gòu)體有效對(duì)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(gè)例子的值了。

例子分析：
分析例子B；

假設(shè)B從地址空間0x0000開(kāi)始排放。該例子中沒(méi)有定義指定對(duì)齊值，在筆者環(huán)境下，該值默認(rèn)為4。

第一個(gè)成員變量b的自身對(duì)齊值是1，比指定或者默認(rèn)指定對(duì)齊值4小，所以其有效對(duì)齊值為1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.

第二個(gè)成員變量a，其自身對(duì)齊值為4，所以有效對(duì)齊值也為4，所以只能存放在起始地址為0x0004到0x0007這四個(gè)連續(xù)的字節(jié)空間中，符合0x0004%4=0, 且緊靠第一個(gè)變量。

第三個(gè)變量c,自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009 這兩個(gè)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(duì)齊值為其變量中最大對(duì)齊值(這里是b）所以就是4，所以結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)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(gè)字節(jié),sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：

第一個(gè)變量b的自身對(duì)齊值為1，指定對(duì)齊值為2，所以，其有效對(duì)齊值為1，假設(shè)C從0x0000開(kāi)始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;

第二個(gè)變量，自身對(duì)齊值為4，指定對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)齊值為2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個(gè)連續(xù)字節(jié)中，符合0x0002%2=0。

第三個(gè)變量c的自身對(duì)齊值為2，所以有效對(duì)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(duì)齊值為4，所以C的有效對(duì)齊值為2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八個(gè)字節(jié)。所以sizeof(struct C)=8.

字節(jié)對(duì)齊對(duì)程序的影響

先讓我們看幾個(gè)例子吧(32bit,x86環(huán)境,gcc編譯器):
設(shè)結(jié)構(gòu)體如下定義：

現(xiàn)在已知32位機(jī)器上各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的長(zhǎng)度如下:

char:1(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)

short:2(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)

int:4(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)

long:4(有符號(hào)無(wú)符號(hào)同)

float:4 double:8

那么上面兩個(gè)結(jié)構(gòu)大小如何呢?

結(jié)果是:

sizeof(strcut A)值為8

sizeof(struct B)的值卻是12

結(jié)構(gòu)體A中包含了4字節(jié)長(zhǎng)度的int一個(gè)，1字節(jié)長(zhǎng)度的char一個(gè)和2字節(jié)長(zhǎng)度的short型數(shù)據(jù)一個(gè),B也一樣;按理說(shuō)A,B大小應(yīng)該都是7字節(jié)。之所以出現(xiàn)上面的結(jié)果是因?yàn)榫幾g器要對(duì)數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對(duì)齊。上面是按照編譯器的默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行對(duì)齊的結(jié)果,那么我們是不是可以改變編譯器的這種默認(rèn)對(duì)齊設(shè)置呢,當(dāng)然可以.例如:

sizeof(struct C)值是8。
修改對(duì)齊值為1：

sizeof(struct D)值為7。

后面我們?cè)僦v解#pragma pack()的作用.

2.3修改編譯器的默認(rèn)對(duì)齊值

1>在VC IDE中，可以這樣修改：[Project]|[Settings],c/c++選項(xiàng)卡Category的Code Generation選項(xiàng)的Struct Member Alignment中修改，默認(rèn)是8字節(jié)。

2>在編碼時(shí)，可以這樣動(dòng)態(tài)修改：#pragma pack .注意:是pragma而不是progma.

如果在編程的時(shí)候要考慮節(jié)約空間的話(huà),那么我們只需要假定結(jié)構(gòu)的首地址是0,然后各個(gè)變量按照上面的原則進(jìn)行排列即可,基本的原則就是把結(jié)構(gòu)中的變量按照 類(lèi)型大小從小到大聲明,盡量減少中間的填補(bǔ)空間.還有一種就是為了以空間換取時(shí)間的效率,我們顯示的進(jìn)行填補(bǔ)空間進(jìn)行對(duì)齊,比如:有一種使用空間換時(shí)間做 法是顯式的插入reserved成員：

reserved成員對(duì)我們的程序沒(méi)有什么意義,它只是起到填補(bǔ)空間以達(dá)到字節(jié)對(duì)齊的目的,當(dāng)然即使不加這個(gè)成員通常編譯器也會(huì)給我們自動(dòng)填補(bǔ)對(duì)齊,我們自己加上它只是起到顯式的提醒作用.

2.4字節(jié)對(duì)齊可能帶來(lái)的隱患

代碼中關(guān)于對(duì)齊的隱患，很多是隱式的。比如在強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換的時(shí)候。例如:

最后兩句代碼，從奇數(shù)邊界去訪(fǎng)問(wèn)unsignedshort型變量，顯然不符合對(duì)齊的規(guī)定。

在x86上，類(lèi)似的操作只會(huì)影響效率，但是在MIPS或者sparc上，可能就是一個(gè)error,因?yàn)樗鼈円蟊仨氉止?jié)對(duì)齊.

如果出現(xiàn)對(duì)齊或者賦值問(wèn)題首先查看

1). 編譯器的big little端設(shè)置

2). 看這種體系本身是否支持非對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)

3). 如果支持看設(shè)置了對(duì)齊與否,如果沒(méi)有則看訪(fǎng)問(wèn)時(shí)需要加某些特殊的修飾來(lái)標(biāo)志其特殊訪(fǎng)問(wèn)操作。

ARM下的對(duì)齊處理

from DUI0067D_ADS1_2_CompLib type qulifiers

有部分摘自ARM編譯器文檔對(duì)齊部分對(duì)齊的使用:

1.__align(num)

這個(gè)用于修改最高級(jí)別對(duì)象的字節(jié)邊界。在匯編中使用LDRD或者STRD時(shí)就要用到此命令__align(8)進(jìn)行修飾限制。來(lái)保證數(shù)據(jù)對(duì)象是相應(yīng)對(duì)齊。這個(gè)修飾對(duì)象的命令最大是8個(gè)字節(jié)限制,可以讓2字節(jié)的對(duì)象進(jìn)行4字節(jié)對(duì)齊,但是不能讓4字節(jié)的對(duì)象2字節(jié)對(duì)齊。__align是存儲(chǔ)類(lèi)修改,他只修飾最高級(jí)類(lèi)型對(duì)象不能用于結(jié)構(gòu)或者函數(shù)對(duì)象。

2.__packed

__packed是進(jìn)行一字節(jié)對(duì)齊

l 不能對(duì)packed的對(duì)象進(jìn)行對(duì)齊

l 所有對(duì)象的讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)都進(jìn)行非對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)

l float及包含float的結(jié)構(gòu)聯(lián)合及未用__packed的對(duì)象將不能字節(jié)對(duì)齊

l __packed對(duì)局部整形變量無(wú)影響

l 強(qiáng)制由unpacked對(duì)象向packed對(duì)象轉(zhuǎn)化是未定義,整形指針可以合法定

義為packed。

__packed int* p; //__packed int 則沒(méi)有意義

2.5對(duì)齊或非對(duì)齊讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)帶來(lái)問(wèn)題

__packed structSTRUCT_TEST

{chara;intb;charc;

} ;

//定義如下結(jié)構(gòu)此時(shí)b的起始地址一定是不對(duì)齊的,在棧中訪(fǎng)問(wèn)b可能有問(wèn)題,因?yàn)闂Ｉ蠑?shù)據(jù)肯定是對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)[from CL]

//將下面變量定義成全局靜態(tài)不在棧上

staticchar* p;staticstructSTRUCT_TEST a;voidMain()

{

__packed int* q;//此時(shí)定義成__packed來(lái)修飾當(dāng)前q指向?yàn)榉菍?duì)齊的數(shù)據(jù)地址下面的訪(fǎng)問(wèn)則可以

p = (char*)&a;

q = (int*)(p+1);

*q = 0x87654321; /*

得到賦值的匯編指令很清楚

ldr r5,0x20001590 ; = #0x12345678

[0xe1a00005] mov r0,r5

[0xeb0000b0] bl __rt_uwrite4//在此處調(diào)用一個(gè)寫(xiě)4byte的操作函數(shù)

[0xe5c10000] strb r0,[r1,#0] //函數(shù)進(jìn)行4次strb操作然后返回保證了數(shù)據(jù)正確的訪(fǎng)問(wèn)

[0xe1a02420] mov r2,r0,lsr #8

[0xe5c12001] strb r2,[r1,#1]

[0xe1a02820] mov r2,r0,lsr #16

[0xe5c12002] strb r2,[r1,#2]

[0xe1a02c20] mov r2,r0,lsr #24

[0xe5c12003] strb r2,[r1,#3]

[0xe1a0f00e] mov pc,r14

*//*

如果q沒(méi)有加__packed修飾則匯編出來(lái)指令是這樣直接會(huì)導(dǎo)致奇地址處訪(fǎng)問(wèn)失敗

[0xe59f2018] ldr r2,0x20001594 ; = #0x87654321

[0xe5812000] str r2,[r1,#0]

*/

//這樣可以很清楚的看到非對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)是如何產(chǎn)生錯(cuò)誤的

//以及如何消除非對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)帶來(lái)問(wèn)題

//也可以看到非對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)和對(duì)齊訪(fǎng)問(wèn)的指令差異導(dǎo)致效率問(wèn)題

}

審核編輯 ：李倩