c/c++--字节对齐（byte alignment）

news2024/11/23 4:10:49

1. 默认字节对齐

在所有结构体成员的字节长度都没有超出操作系统基本字节单位(32位操作系统是4,64位操作系统是8)的情况下
按照结构体中字节最大的变量长度来对齐；
若结构体中某个变量字节超出操作系统基本字节单位
那么就按照系统字节单位来对齐。

注意：
并不是32位就直接按照4个字节对齐，64位就按照8个字节对齐。

2. 为什么存在字节对齐

2.1 了解 CPU 一次读取内存数

CPU 一次能读取多少内存要看数据总线是多少位

如果是16位，则一次只能读取 2 个字节
如果是32位，则可以读取 4 个字节，并且 CPU 不能跨内存区间访问。

例子：

假设有这样一个结构体如下：

struct st3
{
    char a;
    int b;
};
//在32位系统下，它就应该是8个字节的。

假设地址空间是类似下面这样的：
在这里插入图片描述

在没有字节对齐的情况下，
1. 变量 a 就是占用了 0x00000001 这一个字节，而变量b则是占用了 0x00000002~0x000000005 这四个字节
2. 此时 cpu 如果想从内存中读取变量 b，首先要从变量 b 的开始地址 0x00000002读到 0x0000004，然后再读取一次 0x00000005 这个字节，相当于读一个 int，cpu 从内存读取了两次。
如果进行字节对齐的话
1. 变量 a 还是占用了 0x00000001 这一个字节，而变量 b 则是占用了 0x00000005~0x00000008 这四个字节
2. 此时 cpu 要读取变量 b 的话，就直接一次性从 0x00000005 读到 0x00000008 ，就一次全部读取出来了。

总结：

字节对齐的根本原因其实在于 cpu 读取内存的效率问题，对齐以后，cpu读取内存的效率会更快。
对齐的时候 0x00000002~0x00000004 这三个字节是浪费的，所以字节对齐实际上也有那么点以空间换时间的意思，具体写代码的时候怎么选择，其实是看个人的。

3. 编码时手动设置对齐

两种。

3.1 代码里添加预编译标识 pragma pack(n)

3.1.1 用法

使用预编译指令 #pragma pack (n) 来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。
对齐的算法：随编译器变化

//用法如下
#pragma pack(n)//表示它后面的代码都按照n个字节对齐
struct st3
{
    char a;
    int b;
};
#pragma pack()//取消按照n个字节对齐，是对#pragma pack(n)的一个反向操作

3.1.2 例子

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//表示它后面的代码都按照n个字节对齐
struct st3
{
    char a;
    int b;
};
#pragma pack()//取消按照n个字节对齐，是对#pragma pack(n)的一个反向操作

#pragma pack(2)//表示它后面的代码都按照n个字节对齐
struct st4
{
    char a;
    int b;
};
#pragma pack()//取消按照n个字节对齐，是对#pragma pack(n)的一个反向操作

int main()
{
   	
    printf("%d\n",sizeof(struct st3) );
    printf("%d\n",sizeof(struct st4) );
	
   	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.2 定义结构体时指定attribute((packed))

3.2.1 用法

__attribute__ ((packed)) 的作用就是告诉编译器取消结构在编译过程中的优化对齐,按照实际占用字节数进行对齐，是GCC特有的语法。这个功能是跟操作系统没关系，跟编译器有关.

//用法如下
struct bbb
{
   char a;
   int b;
}__attribute__((packed));//直接按照实际占用字节来对齐，其实就是相当于按照1个字节对齐了
//这里计算sizeof(st3)=5

3.2.2 例子

#include <stdio.h>

struct st3
{
   char a;
   int b;
}__attribute__((packed));

struct __attribute__((packed)) st4
{
	int b;
	char a;
};

int main()
{
   	
    printf("%d\n",sizeof(struct st3) );
    printf("%d\n",sizeof(struct st4) );
	
   	return 0;
}