内存对齐问题

类别:编程语言 点击:0 评论:0 推荐:

typedef struct
{
  UINT32  NumElements;
  union
  {
     UINT32  ObjectHandle;
   }Entry;
}STR_ARRAY, *PSTR_ARRAY;

还有这两句#pragma pack(push, 1)
#pragma pack(pop)

#pragma  pack( [ n ] )
该指令指定结构和联合成员的紧凑对齐。而一个完整的转换单元的结构和联合
的紧凑对齐由/ Z p 选项设置。紧凑对齐用p a c e 编译指示在数据说明层设置。该
编译指示在其出现后的第一个结构或联合说明处生效。该编译指示对定义无效。
当你使用#pragma  pack ( n ) 时, 这里n 为1 、2 、4 、8 或1 6 。第一个结构成员之
后的每个结构成员都被存储在更小的成员类型或n 字节界限内。如果你使用无
参量的#pragma  pack , 结构成员被紧凑为以/ Z p 指定的值。该缺省/ Z p 紧凑值为
/ Z p 8 。
编译器也支持以下增强型语法:
#pragma  pack( [ [ { p u s h | p o p } , ] [ 标识符, ] ] [ n] )
若不同的组件使用p a c k 编译指示指定不同的紧凑对齐, 这个语法允许你把程序
组件组合为一个单独的转换单元。
带p u s h 参量的p a c k 编译指示的每次出现将当前的紧凑对齐存储到一个内部编
译器堆栈中。编译指示的参量表从左到右读取。如果你使用p u s h , 则当前紧凑
值被存储起来; 如果你给出一个n 的值, 该值将成为新的紧凑值。若你指定一个
标识符, 即你选定一个名称, 则该标识符将和这个新的的紧凑值联系起来。
带一个p o p 参量的p a c k 编译指示的每次出现都会检索内部编译器堆栈顶的值,
并且使该值为新的紧凑对齐值。如果你使用p o p 参量且内部编译器堆栈是空的,
则紧凑值为命令行给定的值, 并且将产生一个警告信息。若你使用p o p 且指定一
个n 的值, 该值将成为新的紧凑值。
若你使用p o p 且指定一个标识符,  所有存储在堆栈中的值将从栈中删除, 直到找
到一个匹配的标识符, 这个与标识符相关的紧凑值也从栈中移出, 并且这个仅在
标识符入栈之前存在的紧凑值成为新的紧凑值。如果未找到匹配的标识符, 将使
用命令行设置的紧凑值, 并且将产生一个一级警告。缺省紧凑对齐为8 。
p a c k 编译指示的新的增强功能让你编写头文件, 确保在遇到该头文件的前后的
紧凑值是一样的。

什么是内存对齐

    考虑下面的结构:

         struct foo
         {
           char c1;
           short s;
           char c2;
           int i;
          };
   
    假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的,假设c1的地址是0,那么s的地址就应该是1,c2的地址就是3,i的地址就是4。也就是
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。

    可是,我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序:

         struct foo a;
    printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
    运行,输出:
         c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

    为什么会这样?这就是内存对齐而导致的问题。

为什么会有内存对齐

    以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。
    字,双字,和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。(对字,双字,和四字来说,自然边界分别是偶数地址,可以被4整除的地址,和可以被8整除的地址。)
    无论如何,为了提高程序的性能,数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;然而,对齐的内存访问仅需要一次访问。
    一个字或双字操作数跨越了4字节边界,或者一个四字操作数跨越了8字节边界,被认为是未对齐的,从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的,能够在一个总线周期中被访问。
    某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐,这些指令将会产生一个通用保护异常(#GP)。双四字的自然边界是能够被16整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问(不会产生通用保护异常),然而,需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

编译器对内存对齐的处理

    缺省情况下,c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此,上面的程序输出就变成了:
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
编译器将未对齐的成员向后移,将每一个都成员对齐到自然边界上,从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间(成员之间有空洞),但提高了性能。
也正是这个原因,我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中,sizeof(foo) == 12。

如何避免内存对齐的影响

    那么,能不能既达到提高性能的目的,又能节约一点空间呢?有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成:

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
    这样一来,每个成员都对齐在其自然边界上,从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中,sizeof(bar) == 8。

    这个技巧有一个重要的作用,尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变,从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式,而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。
    比如,foo结构,我们的DLL使用默认对齐选项,对齐为
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008,同时sizeof(foo) == 12。
而第三方将对齐选项关闭,导致
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004,同时sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的对齐选项

    vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ,/Zp1表示以1字节边界对齐,相应的,/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说,一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上,取它们中的最小值。也就是:
    min ( sizeof ( member ),  n)
    实际上,1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
    /Zpn选项是应用于整个工程的,影响所有的参与编译的结构。
    要使用这个选项,可以在vc6中打开工程属性页,c/c++页,选择Code Generation分类,在Struct member alignment可以选择。

    要专门针对某些结构定义使用对齐选项,可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下:
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )
    意义和/Zpn选项相同。比如:

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()

栈内存对齐

    我们可以观察到,在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。(本来就是两码事)。它总是保持对齐,而且对齐在4字节边界上。

验证代码

#include <stdio.h>

struct foo
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()


int main(int argc, char* argv[])
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;

    struct foo a;
    struct bar b;
    struct foo_pack p;

    printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
        (unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);

    printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

    printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p\n",
        (unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);

    printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p\n",
        (unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);

    printf("sizeof foo is %d\n", sizeof(foo));
    printf("sizeof bar is %d\n", sizeof(bar));
    printf("sizeof foo_pack is %d\n", sizeof(foo_pack));
   
    return 0;
}

本文地址:http://com.8s8s.com/it/it25815.htm