【计算机组成原理学习笔记十一】内存对齐

首先由一个程序引入话题:

 //环境:vc6 + windows sp2
//程序1
#include <iostream>

using namespace std;

struct st1
{
char a ;
int  b ;
short c ;
};

struct st2
{
short c ;
char  a ;
int   b ;
};

int main()
{
cout<<“sizeof(st1) is “<<sizeof(st1)<<endl;
cout<<“sizeof(st2) is “<<sizeof(st2)<<endl;
return 0 ;
}

程序的输出结果为:

 sizeof(st1) is 12

        sizeof(st2) is 8

问题出来了,这两个一样的结构体,为什么sizeof的时候大小不一样呢?

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

什么是字节对齐,为什么要对齐?

现代计算机中内存空间都是按照byte划分的,从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始,但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问,这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列,而不是顺序的一个接一个的排放,这就是对齐。
对齐的作用和原因:各个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些特定地址开始存取。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必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况,但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对 数据存放进行对齐,会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始,如果一个int型(假设为32位系统)如果存放在偶地址开始的地方,那 么一个读周期就可以读出这32bit,而如果存放在奇地址开始的地方,就需要2个读周期,并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数 据。显然在读取效率上下降很多。

 

内存对齐,正是因为内存对齐的影响,导致结果不同。

对于大多数的程序员来说,内存对齐基本上是透明的,这是编译器该干的活,编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上,从而导致了相同的变量,不同声明顺序的结构体大小的不同。

 那么编译器为什么要进行内存对齐呢?程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7,4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后,结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前,先来看下内存对齐的规则:

1、  对于结构的各个成员,第一个成员位于偏移为0的位置,以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、  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。

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则 

St1 :char占一个字节,起始偏移为0 ,int 占4个字节,min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度) = 4(VC6默认8字节对齐),所以int按4字节对齐,起始偏移必须为4的倍数,所以起始偏移为4,在char后编译器会添加3个字节的额外字节,不存放任意数据。short占2个字节,按2字节对齐,起始偏移为8,正好是2的倍数,无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束,此时的内存状态为:

oxxx|oooo|oo

0123 4567 89 (地址)

(x表示额外添加的字节)

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐,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,st1结构中最大数据成员长度为int,占4字节,而默认的#pragma pack 指定的值为8,所以结果本身按照4字节对齐,结构总大小必须为4的倍数,需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为:

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab  (地址)

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

St2 的对齐方法和st1相同,读者可自己完成。

内存对齐的主要作用是:

1、  平台原因(移植原因):不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。

2、  性能原因:经过内存对齐后,CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

图一:

这是普通程序员心目中的内存印象,由一个个的字节组成,而CPU并不是这么看待的。

图二:

CPU把内存当成是一块一块的,块的大小可以是2,4,8,16字节大小,因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity(粒度) 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中,分两种情况讨论:

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

再次假设内存读取粒度为4。

图三:

当该数据是从0字节开始时,很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节开始时,问题变的有些复杂,此时该int型数据不是位于内存读取边界上,这就是一类内存未对齐的数据。

图四:

此时CPU先访问一次内存,读取0—3字节的数据进寄存器,并再次读取4—5字节的数据进寄存器,接着把0字节和6,7,8字节的数据剔除,最后合并1,2,3,4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作,大大降低了CPU性能。

    这还属于乐观情况了,上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因,因为以上操作只有有部分CPU肯干,其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

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