C语言之字节对齐

news2025/1/13 15:28:21

1. 引言

字节对齐属于编译器的内容，决定数据实际的存放方式。主要有两个作用：1.优化数据储存，减少空间浪费 2.增加数据读取速率，本文将于以上两点展开，简述字节对齐的原理以及应用

本文参考以下链接: 什么是字节对齐,为什么要对齐?

2.字节对齐原理

几个原则与基本概念：
1.对于32位的CPU只能从4的整数倍地址读取数据，这是硬件设计上为了最大化性能而确定的（同时并行读取32位数据）
链接: 到底为什么要内存对齐？
3.编译器遵循自然对齐原则，即为声明对齐数据，存放在4的整数倍地址（不同平台有所差异）
2.数据类型自身的对齐值：对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double类型，其自身对齐值为4，单位字节。
3.结构体的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。
4.指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。
5.数据成员和结构体的有效对齐值：数据成员(数据类型)和数据结构的自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。(数据成员对齐了数据结构自然也就对齐了)
6.有效对齐值最终用来决定数据地址的存放方式，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"
7.编译器对于结构体遵循圆整规则，即总大小%结构体有效对齐值 = 0，向上取整；

未字节对齐结构体示例：

#include 
<stdio.h>
struct C
{
     char b;
     int    a;
     short c;
};

int main(int argc, char **argv) {
    char Byte_Num;
    Byte_Num = sizeof(struct C);
	printf("Size is %d \n",Byte_Num);
}

在这里插入图片描述

其中由于未声明字节对齐方式，采用自然对齐存放数据（32位系统）即指定对齐值为4，存放结果如下图
在这里插入图片描述
其中，

b自身对齐值为1，而指定对齐值为4，则有效对齐值为1，0x0000_0000%1 = 0，则起始存放地址为0x0000_0000；
a自身对齐值为4，而指定对齐值为4，则有效对齐值为4，0x0000_0004%4 = 0，则起始存放地址为0x0000_0004；
c自身对齐值2，而指定对齐值为4，则有效对齐值为2，0x0000_0008%4 = 0，则起始存放地址为0x0000_0008；
结构体C自身对齐值为4，而指定对齐值为4，则有效对齐值为4，0x0000_0000至0x0000_0008共9byte，根据圆整规则，9+2%4 = 0，则结构体总大小为12byte；
字节对齐结构体示例：

#include <stdio.h>
#pragma pack (2) /*指定按2字节对齐*/
struct C
{
     char b;
     int    a;
     short c;
};
#pragma pack () /*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

int main(int argc, char **argv) {
    char Byte_Num;
    Byte_Num = sizeof(struct C);
	printf("Size is %d \n",Byte_Num);
}

在这里插入图片描述

其中，

b自身对齐值为1，而指定对齐值为2，则有效对齐值为1，0x0000_0000%1 = 0，则起始存放地址为0x0000_0000；
a自身对齐值为4，而指定对齐值为4，则有效对齐值为4，0x0000_0004%4 = 0，则起始存放地址为0x0000_0002；
c自身对齐值2，而指定对齐值为4，则有效对齐值为2，0x0000_0008%4 = 0，则起始存放地址为0x0000_0006；
结构体C自身对齐值为4，而指定对齐值为4，则有效对齐值为4，0x0000_0000至0x0000_0007共8byte，根据圆整规则，8%4 = 0，则结构体总大小为8byte；