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#pragma pack(n) 對齊用法詳解

什麼是對齊,以及為什麼要對齊:

現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的,從理論上講似乎對任何類型的變量的通路可以從任何位址開始,但實際情況是在通路特定變量的時候經常在特定的

記憶體位址通路,這就需要各類型資料按照一定的規則在空間上排列,而不是順序的一個接一個的排放,這就是對齊。

對齊的作用和原因:各個硬體平台對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的資料隻能從某些特定位址開始存取。其他平台可能沒有這種情況,

但是最常見的是如果不按照适合其平台要求對資料存放進行對齊,會在存取效率上帶來損失。比如有些平台每次讀都是從偶位址開始,如果一個int型(假設為

32位系統)如果存放在偶位址開始的地方,那麼一個讀周期就可以讀出,而如果存放在奇位址開始的地方,就可能會需要2個讀周期,并對兩次讀出的結果的高低

位元組進行拼湊才能得到該int資料。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。

對齊的實作

通常,我們寫程式的時候,不需要考慮對齊問題。編譯器會替我們選擇時候目标平台的對齊政策。當然,我們也可以通知給編譯器傳遞預編譯指令而改變對指定資料

的對齊方法。

但是,正因為我們一般不需要關心這個問題,是以因為編輯器對資料存放做了對齊,而我們不了解的話,常常會對一些問題感到迷惑。最常見的就是struct數

據結構的sizeof結果,出乎意料。為此,我們需要對對齊算法所了解。  

作用:

指定結構體、聯合以及類成員的packing alignment;

文法:

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

說明:

1,pack提供資料聲明級别的控制,對定義不起作用;

2,調用pack時不指定參數,n将被設成預設值;

3,一旦改變資料類型的alignment,直接效果就是占用memory的減少,但是performance會下降;

文法具體分析:

1,show:可選參數;顯示目前packing aligment的位元組數,以warning message的形式被顯示;

2,push:可選參數;将目前指定的packing alignment數值進行壓棧操作,這裡的棧是the internal compiler

stack,同時設定目前的packing alignment為n;如果n沒有指定,則将目前的packing alignment數值壓棧;

3,pop:可選參數;從internal compiler

stack中删除最頂端的record;如果沒有指定n,則目前棧頂record即為新的packing

alignment數值;如果指定了n,則n将成為新的packing aligment數值;如果指定了identifier,則internal

compiler stack中的record都将被pop直到identifier被找到,然後pop出identitier,同時設定packing

alignment數值為目前棧頂的record;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;當同push一起使用時,賦予目前被壓入棧中的record一個名稱;當同pop一起使用時,從internal

compiler

stack中pop出所有的record直到identifier被pop出,如果identifier沒有被找到,則忽略pop操作;

5,n:可選參數;指定packing的數值,以位元組為機關;預設數值是8,合法的數值分别是1、2、4、8、16。

重要規則:

1,複雜類型中各個成員按照它們被聲明的順序在記憶體中順序存儲,第一個成員的位址和整個類型的位址相同;

2,每個成員分别對齊,即每個成員按自己的方式對齊,并最小化長度;規則就是每個成員按其類型的對齊參數(通

常是這個類型的大小)和指定對齊參數中較小的一個對齊;

3,結構、聯合或者類的資料成員,第一個放在偏移為0的地方;以後每個資料成員的對齊,按照#pragma

pack指定的數值和這個資料成員自身長度兩個中比較小的那個進行;也就是說,

當#pragma pack指定的值等于或者超過所有資料成員長度的時候,這個指定值的大小将不産生任何效果;

4,複雜類型(如結構)整體的對齊<注意是“整體”>是按照結構體中長度最大的資料成員和#pragma pack指定值之

間較小的那個值進行;這樣在成員是複雜類型時,可以最小化長度;

5,結構整體長度的計算必須取所用過的所有對齊參數的整數倍,不夠補空位元組;也就是取所用過的所有對齊參數中最大的那個值的整數倍,因為對齊參數都是2的

n次方;這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊;

對齊的算法:

由于各個平台和編譯器的不同,現以本人使用的gcc version

3.2.2編譯器(32位x86平台)為例子,來讨論編譯器對struct資料結構中的各成員如何進行對齊的。   

在 相同的對齊方式下 ,結構體内部資料

定義的順序不同 ,結構體整體占據記憶體空間也 不同 ,如下:

設結構體如下定義:

struct A

{

     int      a;

     char    b;

     short c;

};

結構體A中包含了4位元組長度的int一個,1位元組長度的char一個和2位元組長度的short型資料一個。是以A用到的空間應該是7位元組。但是因為編譯器

要對資料成員在空間上進行對齊。是以使用sizeof(strcut A)值為 8 。

現在把該結構體調整成員變量的順序。

struct B

      int      a;

      short c;

這時候同樣是總共7個位元組的變量,但是sizeof(struct B)的值卻是 12

下面我們使用預編譯指令#progma pack (value)來告訴編譯器,使用我們指定的對齊值來取代預設的。

#progma pack (2) /*指定

按2位元組對齊,等價于#pragma pack(push,2)*/

struct C

      char b;

#progma pack () /*取消指

定對齊,恢複預設對齊,等價于#pragma pack(pop)*/

sizeof(struct C)值是

8 。

修改對齊值為1:

#progma pack (1) /*指定

按1位元組對齊*/

struct D

定對齊,恢複預設對齊*/

sizeof(struct D)值為 7 。

對于char型資料,其自身對齊值為1,對于short型為2,對于int,float,double類型,其自身對齊值為4,機關位元組。  

這裡面有四個概念值:

1.資料類型自身的對齊值:就是上面交代的基本資料類型的自身對齊值。

2.指定對齊值:#progma pack (value)時的指定對齊值value。

3.結構體或者類的自身對齊值:其資料成員中自

身對齊值最大的那個值。

4.資料成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。

有了這些值,我們就可以很友善的來讨論具體資料結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定資料存放位址方式的值,最重要。有效對齊N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該資料的"存

放起始位址%N=0".

而資料結構中的資料變量都是按定義的先後順序來排放的。第一個資料變量的起始位址就是資料結構的起始位址。結構體的成員變量要對齊排放,結構體本身也要根

據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數倍,結合下面例子了解)。這樣就不能了解上面的幾個例子的值了。

例子分析:

分析例子B;

假設B從位址空間 0x0000

開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值,在筆者環境下,該值 預設為4

第一個成員變量b的自身對齊值是 1

,比指定或者預設指定對齊值 4 小,

是以其有效對齊值為 1 ,是以其存放位址 0x0000 符合 0x0000%1=0 .

第二個成員變量a,其自身對齊值為 4

,是以有效對齊值也為 4

,是以隻能存放在起始位址為 0x0004 到

0x0007 這四個連續的位元組空間中,符合 0x0004%4=0 , 且緊靠第一個變量。

第三個變量c,自身對齊值為 2

,是以有效對齊值也是 2 ,可以存放在

0x0008 到 0x0009 這兩個位元組空間中,符合 0x0008%2=0 。是以從0x0000到0x0009存放的都是B内容。

再看資料結構 B的自身對齊值 為

其變量中最大對齊值( 這裡是b

)是以就是4,是以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求,0x0009到0x0000=10位元組 ,(10+2)%4=0 。是以 0x0000A 到 0x000B

也為結構體B所占用。故B從0x0000到0x000B共有12個位元組, sizeof(struct

B)=12 ;

同理,分析上面例子C:

按2位元組對齊*/

      char    b;

第一個變量b的自身對齊值為1,指定對齊值為2,是以,其有效對齊值為1,假設C從0x0000開始,那麼b存放在0x0000,符合

0x0000%1=0;

第二個變量,自身對齊值為4,指定對齊值為2,是以有效對齊值為2,是以順序存放在0x0002、0x0003、

0x0004、0x0005四個連續位元組中,符合0x0002%2=0。

第三個變量c的自身對齊值為2,是以有效對齊值為2,順序存放在0x0006、0x0007中,符合

0x0006%2=0。是以從0x0000到0x00007共八位元組存放的是C的變量。

又C的自身對齊值為4,是以C的有效對齊值為2。又8%2=0,C隻占用0x0000到0x0007的八個位元組。所

以 sizeof(struct C)=8.