字节对齐访问.docx
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字节对齐访问
目录
一、什么是对齐，为什么要对齐：
1
1.对齐：
1
2.对齐的作用和原因2
二、对齐的算法和规则：
2
（1）四个重要的基本概念：
2
（2）一般编译器在编译程序时会遵循三个准则：
3
（3）例子分析：
3
默认对齐：
4
指定对齐5
三.针对字节对齐,我们在编程中如何考虑?
6
四、字节对齐可能带来的隐患:
7
五、.如何查找与字节对齐方面的问题:
7
六、结构类型详细分析8
1、结构的定义8
2、结构的说明9
3，结构对齐访问10
（1）、默认的对齐方式10
（2）、n字节的对齐方式13
一、什么是对齐，为什么要对齐：
1.对齐：
现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。
2.对齐的作用和原因
各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。
一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。
其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。
比如：
有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该int数据。
显然在读取效率上下降很多。
这也是空间和时间的博弈。
二、对齐的算法和规则：
由于各个平台和编译器的不同，编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐也有所不同。
偏移量__:
是结构体变量中成员的地址和结构体变量地址的差。
结构体大小的定义：
结构体大小等于最后一个成员的偏移量加上最后一个成员的大小。
显然，结构体变量中第一个成员的地址就是结构体变量的首地址。
因此，第一个成员i的偏移量为0。
第二个成员c的偏移量是第一个成员的偏移量加上第一个成员的大小（0+4）,其值为4；第三个成员j的偏移量是第二个成员的偏移量加上第二个成员的大小（4+1）,其值为5。
（1）四个重要的基本概念：
1.数据类型自身的对齐值：
2.结构体或者类的自身对齐值：
其成员中自身对齐值最大的那个值。
3.指定对齐值：
#pragmapack（value）时的指定对齐值value。
4.数据成员、结构体和类的有效对齐值：
自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。
（2）一般编译器在编译程序时会遵循三个准则：
1）结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
2）结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节；
3）结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。
其实诸如:
对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,类型，其自身对齐值为4，float-8
（3）例子分析：
通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。
编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。
当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。
有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。
有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。
第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。
结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整（就是结构体成员变量占用总长度需是对结构体有效对齐值的整数倍）。
分析例子B；
structB
{charb;
inta;
shortc;
};
默认对齐：
假设B从地址空间0x0000开始排放。
该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。
第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，
所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004%4=0,且紧靠第一个变量。
第三个变量c,自身对齐值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。
所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。
再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值（这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。
根据结构体圆整的要求，0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。
所以0x0000A到0x000B也为结构体B所占用。
故B从0x0000到0x000B共有12个字节,sizeof（structB）=12;其实如果就这一个就来说它已将满足字节对齐了,因为它的起始地址是0,因此肯定是对齐的,之所以在后面补充2个字节,是因为编译器为了实现结构数组的存取效率,试想如果我们定义了一个结构B的数组,那么第一个结构起始地址是0没有问题,但是第二个结构呢?
按照数组的定义,数组中所有元素都是紧挨着的,如果我们不把结构的大小补充为4的整数倍,那么下一个结构的起始地址将是0x0000A,这显然不能满足结构的地址对齐了,因此我们要把结构补充成有效对齐大小的整数倍.
这些已有类型的自身对齐值也是基于数组考虑的,只是因为这些类型的长度已知了,所以他们的自身对齐值也就已知了.
指定对齐
同理,分析上面例子C：
#pragmapack
（2）/*指定按2字节对齐*/
structC
{
charb;
inta;
shortc;
};
#pragmapack（）/*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/
第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合
0x0000%1=0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、
0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。
第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。
所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。
又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。
又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。
所以sizeof（structC）=8.
三.针对字节对齐,我们在编程中如何考虑?
如果在编程的时候要考虑节约空间的话,那么我们只需要假定结构的首地址是0,然后各个变量按照上面的原则进行排列即可,基本的原则就是把结构中的变量按照类型大小从小到大声明,尽量减少中间的填补空间.还有一种就是为了以空间换取时间的效率,我们显示的进行填补空间进行对齐,比如:
有一种使用空间换时间做法是显式的插入reserved成员：
structA{
chara;
charreserved[3];//使用空间换时间
intb;
}
reserved成员对我们的程序没有什么意义,它只是起到填补空间以达到字节对齐的目的,当然即使不加这个成员通常编译器也会给我们自动填补对齐,我们自己加上它只是起到显式的提醒作用.
四、字节对齐可能带来的隐患:
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。
例如：
unsignedinti=0x12345678;
unsignedchar*p=NULL;
unsignedshort*p1=NULL;
p=&i;
*p=0x00;
p1=（unsignedshort*）（p+1）;
*p1=0x0000;
最后两句代码，从奇数边界去访问unsignedshort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error,因为它们要求必须字节对齐.
五、.如何查找与字节对齐方面的问题:
如果出现对齐或者赋值问题首先查看
1.编译器的biglittle端设置
2.看这种体系本身是否支持非对齐访问
3.如果支持看设置了对齐与否,如果没有则看访问时需要加某些特殊的修饰来标志其特殊访问操作。
六、结构类型详细分析
在实际问题中，一组数据往往具有不同的数据类型。
例如，在学生登记表中，姓名应为字符型；学号可为整型或字符型；年龄应为整型；性别应为字符型；成绩可为整型或实型。
显然不能用一个数组来存放这一组数据。
因为数组中各元素的类型和长度都必须一致，以便于编译系统处理。
为了解决这个问题，Ｃ语言中给出了另一种构造数据类型——“结构”。
它相当于其它高级语言中的记录。
“结构”是一种构造类型，它是由若干“成员”组成的。
每一个成员可以是一个基本数据类型或者又是一个构造类型。
结构既是一种“构造”而成的数据类型，那么在说明和使用之前必须先定义它，也就是构造它。
如同在说明和调用函数之前要先定义函数一样。
1、结构的定义
定义一个结构的一般形式为：
struct结构名
{
成员表列
};
成员表由若干个成员组成，每个成员都是该结构的一个组成部分。
对每个成员也必须作类型说明，其形式为：
类型说明符成员名;
成员名的命名应符合标识符的书写规定。
例如：
structstu
{
intnum;
charname[20];
charsex;
floatscore;
};
在这个结构定义中，结构名为stu，该结构由4个成员组成。
第一个成员为num，整型变量；第二个成员为name，字符数组；第三个成员为sex，字符变量；第四个成员为score，实型变量。
应注意在括号后的分号是不可少的。
2、结构的说明
结构定义之后，即可进行变量说明。
凡说明为结构stu的变量都由上述4个成员组成。
由此可见，结构是一种复杂的数据类型，是数目固定，类型不同的若干有序变量的集合。
请看下面的结构：
structMyStruct
{
doubledda1;
chardda;
inttype
};
对结构MyStruct采用sizeof会出现什么结果呢？
sizeof（MyStruct）为多少呢？
也许你会这样求：
sizeof（MyStruct）=sizeof（double）+sizeof（char）+sizeof（int）=13
但是当在VC中测试上面结构的大小时，你会发现sizeof（MyStruct）为16。
你知道为什么在VC中会得出这样一个结果吗？
其实，这是VC对变量存储的一个特殊处理。
为了提高CPU的存储速度，VC对一些变量的起始地址做了“对齐”处理。
在默认情况下，VC规定各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数。
下面列出常用类型的对齐方式（vc6.0,32位系统）。
类型
对齐方式（变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量）
Char 偏移量必须为sizeof（char）即1的倍数
int 偏移量必须为sizeof（int）即4的倍数
float 偏移量必须为sizeof（float）即4的倍数
double 偏移量必须为sizeof（double）即8的倍数
Short 偏移量必须为sizeof（short）即2的倍数
3，结构对齐访问
（1）、默认的对齐方式
各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间，同时按照上面的对齐方式调整位置，空缺的字节VC会自动填充。
同时VC为了确保结构的大小为结构的字节边界数（即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数）的倍数，所以在为最后一个成员变量申请空间后，还会根据需要自动填充空缺的字节。
下面用前面的例子来说明VC到底怎么样来存放结构的。
structMyStruct
{
doubledda1;
chardda;
inttype
}；
为上面的结构分配空间的时候，VC根据成员变量出现的顺序和对齐方式，先为第一个成员dda1分配空间，其起始地址跟结构的起始地址相同（刚好偏移量0刚好为sizeof（double）的倍数），该成员变量占用sizeof（double）=8个字节；接下来为第二个成员dda分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为8，是sizeof（char）的倍数，所以把dda存放在偏移量为8的地方满足对齐方式，该成员变量占用sizeof（char）=1个字节；接下来为第三个成员type分配空间，这时下一个可以分配的地址对于结的起始地址的偏移量为9，不是sizeof（int）=4的倍数，为了满足对齐方式对偏移量的约束问题，VC自动填充3个字节（这三个字节没有放什么东西），这时下一个可以分配的地址对于结构的起始地址的偏移量为12，刚好是sizeof（int）=4的倍数，所以把type存放在偏移量为12的地方，该成员变量占用sizeof（int）=4个字节；这时整个结构的成员变量已经都分配了空间，总的占用的空间大小为：
8+1+3+4=16，刚好为结构的字节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof（double）=8）的倍数，所以没有空缺的字节需要填充。
所以整个结构的大小为：
sizeof（MyStruct）=8+1+3+4=16，其中有3个字节是VC自动填充的，没有放任何有意义的东西。
下面再举个例子，交换一下上面的MyStruct的成员变量的位置，使它变成下面的情况：
structMyStruct
{
chardda;
doubledda1;
inttype
}；
这个结构占用的空间为多大呢？
在VC6.0环境下，可以得到sizeof（MyStruc）为24。
结合上面提到的分配空间的一些原则，分析下VC怎么样为上面的结构分配空间的。
（简单说明）
structMyStruct
{
chardda;//偏移量为0，满足对齐方式，dda占用1个字节；
doubledda1;//下一个可用的地址的偏移量为1，不是sizeof（double）=8
//的倍数，需要补足7个字节才能使偏移量变为8（满足对齐
//方式），因此VC自动填充7个字节，dda1存放在偏移量为8
//的地址上，它占用8个字节。
inttype；//下一个可用的地址的偏移量为16，是sizeof（int）=4的倍
//数，满足int的对齐方式，所以不需要VC自动填充，type存
//放在偏移量为16的地址上，它占用4个字节。
}；//所有成员变量都分配了空间，空间总的大小为1+7+8+4=20，不是结构
//的节边界数（即结构中占用最大空间的类型所占用的字节数sizeof
//（double）=8）的倍数，所以需要填充4个字节，以满足结构的大小为
//sizeof（double）=8的倍数。
所以该结构总的大小为：
sizeof（MyStruc）为1+7+8+4+4=24。
其中总的有7+4=11个字节是VC自动填充的，没有放任何有意
义的东西。
（2）、n字节的对齐方式
VC对结构的存储的特殊处理确实提高CPU存储变量的速度，但是有时候也带来了一些麻烦，我们也屏蔽掉变量默认的对齐方式，自己可以设定变量的对齐方式。
VC中提供了#pragmapack（n）来设定变量以n字节对齐方式。
n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：
第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，
第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。
结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：
如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数； 否则必须为n的倍数。
下面举例说明其用法。
#pragmapack（push）//保存对齐状态
#pragmapack（4）//设定为4字节对齐
structtest
{
charm1;
doublem4;
intm3;
};
#pragmapack（pop）//恢复对齐状态
以上结构的大小为16，下面分析其存储情况，首先为m1分配空间，其偏移量为0，满足我们自己设定的对齐方式（4字节对齐）
，m1占用1个字节。
接着开始为m4分配空间，这时其偏移量为1，需要补足3个字节，这样使偏移量满足为n=4的倍数（因为
sizeof（double）大于n）,m4占用8个字节。
接着为m3分配空间，这时其偏移量为12，满足为4的倍数，m3占用4个字节。
这时已经
为所有成员变量分配了空间，共分配了16个字节，满足为n的倍数。
如果把上面的#pragmapack（4）改为#pragmapack（16），那么
我们可以得到结构的大小为24。
（请读者自己分析）
/*
如果q没有加__packed修饰则汇编出来指令是这样直接会导致奇地址处访问失败
[0xe59f2018]ldrr2,0x20001594;=#0x87654321
[0xe5812000]strr2,[r1,#0]
*/
//这样可以很清楚的看到非对齐访问是如何产生错误的
//以及如何消除非对齐访问带来问题
//也可以看到非对齐访问和对齐访问的指令差异导致效率问题
}
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