大话结构体之五:以空间换时间,Struct(结构体)中的成员对齐之道(下)

By Long Luo

前言:

“大话结构体”系列文章写于2012年,在我的CSDN Blog上连载的,这是系列的第五篇: 大话结构体之五:以空间换时间,Struct(结构体)中的成员对齐之道(下)


引言


在上一篇大话结构体之四:以空间换时间,Struct(结构体)中的成员对齐之道(上) 中,我们了解到struct ALIGN2struct ALIGN3的成员变量都是1个int型,1个char型及1个short型,可是它们所占的空间却1个是8字节,一个是12字节。

为什么会有这样的区别呢?

通过上篇关于对齐的介绍,我们已经猜测这是因为编译器对其作了对齐的处理所致,但是编译器处理的细节具体是什么呢?

在这一篇里,我们将对程序的编译,汇编,链接进行逐一分析,解开这个谜团。

不要走开,下面更精彩!

编译过程


一般情况下,C程序的编译过程为

  1. 预处理
  2. 编译成汇编代码
  3. 汇编成目标代码
  4. 链接

这一篇我们将使用gcc对上述几个过程进行仔细分析,了解其处理细节。

首先我们看一个例子,源码如下:

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/************************************************************************************
** File: - Z:\code\c\Alignment\Align.c
**
** Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
**
** Description:
** Align.c --- To learn the details of Alignment by the compiler.
**
** Version: 1.1
** Date created: 22:33:50,10/12/2012
** Author: Long.Luo
**
** --------------------------- Revision History: --------------------------------
** <author> <data> <desc>
**
************************************************************************************/


#include <stdio.h>

struct ALIGN2
{
char mA;
int mB;
short mC;
};

struct ALIGN3
{
int mB;
char mA;
short mC;
};


int main(void)
{

struct ALIGN2 aln2;
struct ALIGN3 aln3;

printf("The size of struct ALIGN2 is: %d\n", sizeof(aln2));
printf("\t aln2.mA=0x%x, aln2.mB=0x%x, aln2.mC=0x%x\n", &aln2.mA, &aln2.mB, &aln2.mC);

printf("The size of struct ALIGN3 is: %d\n", sizeof(aln3));
printf("\t aln3.mA=0x%x, aln3.mB=0x%x, aln3.mC=0x%x\n", &aln3.mA, &aln3.mB, &aln3.mC);

return 0;
}

接下来我们对Align.c按照C程序的编译流程进行一一分析,如下所示:

1. 预处理

输出文件的后缀为:*.cpp文件。

预处理

2. 编译成汇编代码

  1. 使用-x参数说明根据指定的步骤进行工作,cpp-output指明从预处理得到的文件开始编译;

  2. 使用-S说明生成汇编代码后停止工作

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gcc –x cpp-output –S –o align.s align.cpp

汇编处理

我们也可以直接编译到汇编代码:

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gcc –S Align.c

得到align.s文件之后,在最开始之处我们可以看到:

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.file	"Align.c"
.section .rodata
.align 4

其中的.align 4就表明了其后面所有的数据都遵守4字节对齐的限制

3. 编译成目标代码

汇编代码—>目标代码
Object Code

4. 编译成执行代码

目标代码–>执行代码

最终的输出结果如下所示:
Execute Result:

内存分析


我们可以绘出struct ALIGN2struct ALIGN3内存分配图
Memory

假如我们不对齐?

上图是内存对齐struct ALIGN2struct ALIGN3的内存分配情况,但是假如我们不对齐呢?

其内存分配如下所示:
内存不对齐

很明显,int mBshort mC都不满足对齐要求。

对齐的好处是什么呢?

通过上一节,我们知道了如果不对齐,我们可以节省出几个byte的内存空间,在计算机世界中,可以对齐也可以不对齐,但是实际中,都做了对齐。

那么,对齐的好处是什么呢

答案是:对齐是在时间空间之间做了一个tradeoff!

对齐可以提高取数据的效率

在IA32架构中,数据总线是32位,即一次可以存取4个字节的数据。

在对齐的情况下,struct ALIGN2的每个成员都可以在一个指令周期内完成;

而假设我们的struct ALIGN2没有对齐,那么对于struct ALIGN2char mA,CPU可以一次取出4个字节获得低位的一个字节,同时需要将高位的3个字节保存在寄存器中,之后的int mB,CPU必须再取得低位的1个字节并通之前保存在寄存器中的数据结果组合在一起,每一个都需要好几条指令,是不是相当麻烦?

如何自定义对齐?

那肯定有同学要问了,有没有办法让处理器按照自己的要求进行地址对齐呢?

—当然可以!

我们可以通过预编译命令#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16来改变这一系数,其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

比如,我想让处理器按照1个字节的方式对齐,则代码如下:

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/************************************************************************************
** File: - Z:\code\c\Alignment\AlignPackOne.c
**
** Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
**
** Description:
** Align.c --- To learn the details of Alignment by the compiler.
**
** Version: 1.1
** Date created: 23:39:05,10/12/2012
** Author: Long.Luo
**
** --------------------------- Revision History: --------------------------------
** <author> <data> <desc>
**
************************************************************************************/


#include <stdio.h>


#pragma pack(1)

struct ALIGN2
{
char mA;
int mB;
short mC;
};

struct ALIGN3
{
int mB;
char mA;
short mC;
};


int main(void)
{

struct ALIGN2 aln2;
struct ALIGN3 aln3;

printf("The size of struct ALIGN2 is: %d\n", sizeof(aln2));
printf("\t aln2.mA=0x%x, aln2.mB=0x%x, aln2.mC=0x%x\n", &aln2.mA, &aln2.mB, &aln2.mC);

printf("The size of struct ALIGN3 is: %d\n", sizeof(aln3));
printf("\t aln3.mA=0x%x, aln3.mB=0x%x, aln3.mC=0x%x\n", &aln3.mA, &aln3.mB, &aln3.mC);

return 0;
}

编译之后输出结果如下:
自定义对齐内存情况

可以看出,在我们要求的1字节对齐方式下,struct ALIGN2struct ALIGN3的结果都是7,只占了4+2+1个字节,内存空间一个字节都利用到极致。

至此,关于内存对齐就到此告一段落了,你弄明白了吗

之前的系列文章,我们的struct都有成员变量,那么你有没有考虑过如果过struct完全是空的情况呢?

下一篇我们将重点探讨这个问题!

不要走开,后面更精彩!

Updated by Long Luo at 2016-6-11 03:44:26 @Shenzhen, China.