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深入解析C语言中结构体的内存对齐机制及其优化方法

为了提高CPU访问效率,C语言中的结构体成员在内存中遵循特定的对齐规则。本文详细解析了这些对齐机制,并探讨了如何通过合理的布局和编译器选项来优化结构体的内存使用,从而提升程序性能。

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为了让CPU能够更舒服地访问到变量,struct中的各成员变量的存储地址有一套对齐的机制。这个机制概括起来有两点:第一,每个成员变量的首地址,必须是它的类型的对齐值的整数倍,如果不满足,它与前一个成员变量之间要填充(padding)一些无意义的字节来满足;第二,整个struct的大小,必须是该struct中所有成员的类型中对齐值最大者的整数倍,如果不满足,在最后一个成员后面填充。

各种类型的变量的align值如下,参考的是wikipedia的页面:Data structure alignment

The following typical alignments are valid for compilers from Microsoft, Borland, and GNUwhen compiling for 32-bit x86:

  • char (one byte) will be 1-byte aligned.
  • short (two bytes) will be 2-byte aligned.
  • An int (four bytes) will be 4-byte aligned.
  • float (four bytes) will be 4-byte aligned.
  • double (eight bytes) will be 8-byte aligned on Windows and 4-byte aligned on Linux.
  • long double (twelve bytes) will be 4-byte aligned on Linux.
  • Any pointer (four bytes) will be 4-byte aligned on Linux. (eg: char*, int*)

The only notable difference in alignment for a 64-bit linux system when compared to a 32 bit is:

  • double (eight bytes) will be 8-byte aligned.
  • long double (Sixteen bytes) will be 16-byte aligned.
  • Any pointer (eight bytes) will be 8-byte aligned.


这里写了个程序来验证这些事:

#include struct s {char a;short b;char c;double d;char e;
};int main() {struct s s1;printf("%d, %d, %d, %d, %d\n",(char*)(&s1.a) - (char*)(&s1),(char*)(&s1.b) - (char*)(&s1),(char*)(&s1.c) - (char*)(&s1),(char*)(&s1.d) - (char*)(&s1),(char*)(&s1.e) - (char*)(&s1));printf("%d\n", sizeof(struct s));return 0;
}

在64位linux下面运行这段代码的结果是:

0, 2, 4, 8, 16
24

由于对齐机制的存在,实际上上面的struct在内存中是长这个样子的,共计24个字节:

struct s {char a; //在地址为0的位置char padding1[1]; //由于下面一个元素是short,对齐字节数为2的位数,需要补1字节short b; //对齐到了地址为2的位置char c; //在地址为4的位置char padding2[3]; //由于下面一个元素是double,对齐字节数为8的倍数,需要补3字节double d; //对齐到了地址为8的位置char e; //在地址为16的位置char padding3[7]; //整个struct的大小需要是对齐数最大者,也就是double的8字节的整数倍
};

如果是在32位的linux下跑上面的程序,由于double的长度还是8字节,但是对齐是4字节的了,所以前面几个成员的位置不变,而最后的padding只需要补3个字节就可以了,所以输出的结果是0, 2, 4, 8, 16及20.

对于windows,其32位和64位下double都是8字节对齐的,所以在32位和64位下跑这个程序结果都是0, 2, 4, 8, 16及24.

最后,整个struct的大小的要求是对齐值最大者的整数倍,没有什么默认的4或者8的倍数一说。如果把上面程序中的a,b,c,d,e的类型全变成char,那么最后的他们的地址会是0,1,2,3,4,整个struct的大小 sizeof(struct s)的值是5,没有任何padding发生。

以上程序实验的环境在64位centos x64上的gcc 4.1.2(32位结果加-m32参数)及Visual Studio 2008上得出。


转:https://my.oschina.net/scriptboy/blog/61575



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