C语言中的字节对齐以及其相关处理

首先，我们来了解下一些基本原理：

一、什么是字节对齐
一个基本类型的变量在内存中占用n个字节,则该变量的起始地址必须能够被n整除,即: 存放起始地址 % n = 0,那么,就成该变量是字节对齐的;对于结构体、联合体而言,这个n取其所有基本类型的成员中占用空间字节数最大的那个;
内存空间是以字节为基本单位进行划分的,从理论上讲,似乎对任何类型的变量的访问都可以从任何地址处开始,但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常是从特定的内存地址处开始访问,这就需要各种类型的数据只能按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序的一个接一个地排放;究其原因,是为了使不同架构的CPU可以提高访问内存的速度,就规定了对于特定类型的数据只能从特定的内存位置处开始访问;所以,各种类型的数据只能按照相应的规则在内存空间上排放,而不能顺序地、连续地、一个一个地排放;这就是内存对齐;

二、为什么需要字节对齐

由于各种硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同;一些平台对某些特定类型的数据只能从某个特定内存地址处开始访问;比如:有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程时就必须保证字节对齐;其它平台可能没有这种情况,但最常见的是,如果不按照适合其平台要求对数据进行对齐,会在存取效率上带来损失;比如,有些平台每次读取数据都是从偶地址处开始,如果一个int(假设为32位系统)型数据从偶地址处开始存放,那么只需要一个读指令周期就可以完全读出这个32bit的int型数据,相反,如果这个32bit的int型数据是从奇地址处开始存放,那么就需要两个读指令周期才能完全读出这个32bit的int数据,并且还需要对这两次读出的结果的高低字节进行重新拼凑才能得到正确的32bit数据;这个时候,CPU的读取效率明显下降;

三、字节对齐规则
预处理指令#pragma pack(align_value)用于指定对齐值,而预处理指令#pragma pack()用于取消上次设定的对齐值,恢复默认对齐值;
字节对齐是针对基本类型变量的;基本类型变量有:char、unsigned char、short、unsigned short、int、unsigned int、long、unsigned long、long long、unsigned long long、float、double,等等;所以,对于结构体的对齐也只能按照其成员变量中的基本类型来对齐了;
有四个概念需要理解:
A、数据类型自身的对齐值:
   是指对该数据类型使用sizeof()操作符进行操作所得到的大小(单位,字节);比如,对于[unsigned] char类型的数据,其自身对齐值为1字节;对于[unsigned] short类型的数据,其自身对齐值是2字节;对于[unsigned] int、[unsigned] long、[unsigned] long long、float、double等数据类型,其自身对齐值是4字节;
B、结构体、联合体、类的自身对齐值:
   是指其所有基本类型的成员中,自身对齐值最大的那个值;如果这些复合类型中有嵌套类型或复合类型的变量,则需要把这些嵌套的类型或复合类型的变量拆解成基本类型的成员之后再对齐;
C、指定对齐值:
   是指使用预处理指令#pragma pack(align_value)指定的对齐值align_value;
D、数据成员、结构体和类的有效对齐值:
   是指其自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值;
其中,有效对齐值是最终用来决定数据存放地址方式的值,最重要;设定有效对齐值为N,就表示"对齐在N字节上",也就是说,该数据的"存放起始地址%N=0";

因此,每个类型的数据的有效对齐值就是其自身对齐值(通常是这个类型的大小)和指定对齐值(不指定则取默认值)中较小的那个值,并且结构体自身对齐值是其所有成员中自身对齐值最大的那个值;

字节对齐的细节与编译器的实现有关,但一般来说,结构体需要满足以下几个准则:
1).从结构体外部来看,结构体变量的首地址能够被其最宽基本成员的大小整除;从结构体内部来看,它的第一个数据成员的地址相对于整个结构体首地址的偏移量为0,也就是说,结构体的第一个数据成员存放在偏移量为0的地方;
2).结构体中的每个数据成员的有效对齐值都取其自身对齐值和指定对齐值中的较小的那个对齐值;或者说是,结构体中的每个数据成员相对于结构体首地址的偏移量都是该数据成员大小和指定对齐值中较小的那个值(或有效对齐值)的整数倍,如有需要,编译器会在数据成员之间加上填充字节;
3).如果结构体中还有嵌套的结构体或结构体变量,那么就要把这些嵌套进去的结构体或结构体变量拆成基本类型成员,并取其最长的基本类型成员的对齐方式;
4).结构体整体的有效对齐值必须为其最宽基本类型成员大小的整数倍;或者说是,结构体整体的大小为结构体中最宽基本类型成员大小的整数倍,如有需要,编译器会在最末一个成员之后加上填充字节;换句话说是,结构体整体的有效对齐值按照结构体中最宽基本类型成员的大小和指定对齐值中较小的那个值进行;

特别注意:如果指定对齐值大于自身对齐值,则指定对齐值无效;

然后，我们来看一下C编译器对字节对齐的相关处理

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。

在结构中，编译器为结构的每个成员按其自然对界（alignment）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储（成员之间可能有插入的空字节），第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

C编译器缺省的结构成员自然对界条件为“N字节对齐”，N即该成员数据类型的长度。如int型成员的自然对界条件为4字节对齐，而double类型的结构成员的自然对界条件为8字节对齐。若该成员的起始偏移不位于该成员的“默认自然对界条件”上，则在前一个节面后面添加适当个数的空字节。

C编译器缺省的结构整体的自然对界条件为：该结构所有成员中要求的最大自然对界条件。若结构体各成员长度之和不为“结构整体自然对界条件的整数倍，则在最后一个成员后填充空字节。

例子1（分析结构各成员的默认字节对界条界条件和结构整体的默认字节对界条件）:

struct Test
{ 
char x1; // 成员x1为char型(其起始地址必须1字节对界)，其偏移地址为0 char x2; // 成员x2为char型(其起始地址必须1字节对界，其偏移地址为1 float x3; // 成员x3为float型(其起始地址必须4字节对界)，编译器在x2和x3之间填充了两个空字节，其偏移地址为4 char x4; // 成员x4为char型(其起始地址必须1字节对界)，其偏移地址为8 
};

因为Test结构体中，最大的成员为flaot x3，因些此结构体的自然对界条件为4字节对齐。则结构体长度就为12字节，内存布局为1100 1111 1000。

例子2：

#include <stdio.h>
//#pragma pack(2)
typedef struct
{int aa1; //4个字节对齐 1111char bb1;//1个字节对齐 1short cc1;//2个字节对齐 011char dd1; //1个字节对齐 1
  } testlength1;
int length1 = sizeof(testlength1); //4个字节对齐，占用字节1111 1011 1000,length = 12

typedef struct
{char bb2;//1个字节对齐 1int aa2; //4个字节对齐 01111short cc2;//2个字节对齐 11char dd2; //1个字节对齐 1
  } testlength2;
int length2 = sizeof(testlength2); //4个字节对齐，占用字节1000  1111 1110,length = 12
typedef struct
{char bb3; //1个字节对齐 1char dd3; //1个字节对齐 1int aa3; //4个字节对齐 001111short cc23//2个字节对齐 11
} testlength3;
int length3 = sizeof(testlength3); //4个字节对齐，占用字节1100 1111 1100,length = 12
typedef struct
{char bb4; //1个字节对齐 1char dd4; //1个字节对齐 1short cc4;//2个字节对齐 11int aa4; //4个字节对齐 1111
  } testlength4;
int length4 = sizeof(testlength4); //4个字节对齐，占用字节1111 1111,length = 8int main(void)
{printf("length1 = %d.\n",length1);printf("length2 = %d.\n",length2);printf("length3 = %d.\n",length3);printf("length4 = %d.\n",length4);return 0;
}

改变缺省的对界条件(指定对界)
· 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
· 使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

这时，对齐规则为：

1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。

2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。

结合1、2推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

因此，当使用伪指令#pragma pack (2)时，Test结构体的大小为8，内存布局为11 11 11 10。

需要注意一点，当结构体中包含一个子结构体时，子结构中的成员按照#pragma pack指定的数值和子结构最大数据成员长度中，比较小的那个进行进行对齐。

例3：

#pragma pack(8)
struct s1{
short a;
long b;
};struct s2{
char c;
s1 d;
long long e;
};
#pragma pack()

sizeof(s2)的结果为24。S1的内存布局为1100 1111，S2的内存布局为1000 1100 1111 0000 1111 1111。

例4：

#include <stdio.h>
#pragma pack(2)
typedef struct
{int aa1; //2个字节对齐 1111char bb1;//1个字节对齐 1short cc1;//2个字节对齐 011char dd1; //1个字节对齐 1
  } testlength1;
int length1 = sizeof(testlength1); //2个字节对齐，占用字节11 11 10 11 10,length = 10

typedef struct
{char bb2;//1个字节对齐 1int aa2; //2个字节对齐 01111short cc2;//2个字节对齐 11char dd2; //1个字节对齐 1
  } testlength2;
int length2 = sizeof(testlength2); //2个字节对齐，占用字节10 11 11 11 10,length = 10
typedef struct
{char bb3; //1个字节对齐 1char dd3; //1个字节对齐 1int aa3; //2个字节对齐 11 11short cc23//2个字节对齐 11
} testlength3;
int length3 = sizeof(testlength3); //2个字节对齐，占用字节11 11 11 11,length = 8
typedef struct
{char bb4; //1个字节对齐 1char dd4; //1个字节对齐 1short cc4;//2个字节对齐 11int aa4; //2个字节对齐 11 11
  } testlength4;
int length4 = sizeof(testlength4); //2个字节对齐，占用字节11 11 11 11,length = 8int main(void)
{printf("length1 = %d.\n",length1);printf("length2 = %d.\n",length2);printf("length3 = %d.\n",length3);printf("length4 = %d.\n",length4);return 0;
}