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2016計(jì)算機(jī)二級(jí)C++內(nèi)存對(duì)齊詳細(xì)使用指南
一、為什么會(huì)有C++內(nèi)存對(duì)齊
以下內(nèi)容節(jié)選自《Intel Architecture 32 Manual》。
為了提高程序的性能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問;然而，對(duì)齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
一個(gè)字或雙字操作數(shù)跨越了4字節(jié)邊界，或者一個(gè)四字操作數(shù)跨越了8字節(jié)邊界，被認(rèn)為是未對(duì)齊的，從而需要兩次總線周期來(lái)訪問內(nèi)存。一個(gè)字起始地址是奇數(shù)但卻沒有跨越字邊界被認(rèn)為是對(duì)齊的，能夠在一個(gè)總線周期中被訪問。
二、C++內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則
每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來(lái)改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對(duì)齊系數(shù)”。
對(duì)齊規(guī)則：
1、數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset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)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
2、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對(duì)齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
3、結(jié)合1、2推斷：當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。
4.各成員變量存放的起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù)。
5.各成員變量在存放的時(shí)候根據(jù)在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序依次申請(qǐng)空間，同時(shí)按照上面的對(duì)齊方式調(diào)整位置，空缺的字節(jié)自動(dòng)填充。
6.同時(shí)為了確保結(jié)構(gòu)的大小為結(jié)構(gòu)的字節(jié)邊界數(shù)(即該結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù))的倍數(shù)，所以在為最后一個(gè)成員變量申請(qǐng)空間后，還會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)填充空缺的字節(jié)。
三、pragma pack 宏
VC中提供了#pragma pack(n)來(lái)設(shè)定變量以n字節(jié)對(duì)齊方式。n字節(jié)對(duì)齊就是說(shuō)變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況：第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認(rèn)的對(duì)齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認(rèn)的對(duì)齊方式。結(jié)構(gòu)的總大小也有個(gè)約束條件，分下面兩種情況：如果n大于所有成員變量類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么結(jié)構(gòu)的總大小必須為占用空間最大的變量占用的空間數(shù)的倍數(shù);否則必須為n的倍數(shù)。下面舉例說(shuō)明其用法。
#pragma pack(push) //保存對(duì)齊狀態(tài) #pragma pack(4)//設(shè)定為4字節(jié)對(duì)齊 struct test { char m1; double m4; int m3; }; #pragma pack(pop)//恢復(fù)對(duì)齊狀態(tài)
以上結(jié)構(gòu)的大小為16，下面分析其存儲(chǔ)情況，首先為m1分配空間，其偏移量為0，滿足我們自己設(shè)定的對(duì)齊方式(4字節(jié)對(duì)齊)，m1占用1個(gè)字節(jié)。接著開始為m4分配空間，這時(shí)其偏移量為1，需要補(bǔ)足3個(gè)字節(jié)，這樣使偏移量滿足為n=4的倍數(shù)(因?yàn)閟izeof(double)大于n),m4占用8個(gè)字節(jié)。接著為m3分配空間，這時(shí)其偏移量為 12，滿足為4的倍數(shù)，m3占用4個(gè)字節(jié)。這時(shí)已經(jīng)為所有成員變量分配了空間，共分配了16個(gè)字節(jié)，滿足為n的倍數(shù)。如果把上面的#pragma pack(4)改為#pragma pack(16)，那么我們可以得到結(jié)構(gòu)的大小為24。
以上就是對(duì)C++內(nèi)存對(duì)齊的相關(guān)介紹。
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