C语言中结构体struct内存对齐原理

2024-06-12 08:38

本文主要是介绍C语言中结构体struct内存对齐原理,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

我们从一段代码开始

#include<iostream>
using namespace std;int main(void)
{struct st1{char a;int b;short c;};struct st2{short c;char a;int b;};printf("sizeof(char) = %d\n", sizeof(char));printf("sizeof(short) = %d\n", sizeof(short));printf("sizeof(int) = %d\n", sizeof(int));printf("sizeof(st1) = %d\n", sizeof(st1));printf("sizeof(st2) = %d\n", sizeof(st2));system("pause");return 0;
}

在一般看来sizeof(st1)和sizeof(st2)都应该是7,但是结果却不是这样
结果如图
这里写图片描述

这到底是怎么回事呢?
因为内存对齐
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。
一,内存对齐的规则
假设m= min(#pragma pack()指定的数,这个数据成员的自身长度)
#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐
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m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。必须是最小的倍数
3、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。
4.各成员变量存放的起始地址相对于结构的起始地址的偏移量必须为该变量的类型所占用的字节数的倍数。
5.各成员变量在存放的时候根据在结构中出现的顺序依次申请空间,同时按照上面的对齐方式调整位置,空缺的字节自动填充。
6.同时为了确保结构的大小为结构的字节边界数(即该结构中占用最大空间的类型所占用的字节数)的倍数,所以在为最后一个成员变量申请空间后,还会根据需要自动填充空缺的字节。
二,案例分析
先拿st1进行分析,如图
这里写图片描述

再来分析st2,如图
这里写图片描述
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:
这里写图片描述

这是一般人心目中的内存印象,由一个个的字节组成,而CPU并不是这么看待的。

图二:
这里写图片描述
CPU是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)
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:
这里写图片描述
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。此时cpu的性能会下降

图四:

这里写图片描述

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不做了。

图片来自:Data alignment: Straighten up and fly right

这篇关于C语言中结构体struct内存对齐原理的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!


原文地址:
本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.chinasem.cn/article/1053719

相关文章

Go 语言中的select语句详解及工作原理

《Go语言中的select语句详解及工作原理》在Go语言中,select语句是用于处理多个通道(channel)操作的一种控制结构,它类似于switch语句,本文给大家介绍Go语言中的select语... 目录Go 语言中的 select 是做什么的基本功能语法工作原理示例示例 1:监听多个通道示例 2:带

鸿蒙中@State的原理使用详解(HarmonyOS 5)

《鸿蒙中@State的原理使用详解(HarmonyOS5)》@State是HarmonyOSArkTS框架中用于管理组件状态的核心装饰器,其核心作用是实现数据驱动UI的响应式编程模式,本文给大家介绍... 目录一、@State在鸿蒙中是做什么的?二、@Spythontate的基本原理1. 依赖关系的收集2.

C语言函数递归实际应用举例详解

《C语言函数递归实际应用举例详解》程序调用自身的编程技巧称为递归,递归做为一种算法在程序设计语言中广泛应用,:本文主要介绍C语言函数递归实际应用举例的相关资料,文中通过代码介绍的非常详细,需要的朋... 目录前言一、递归的概念与思想二、递归的限制条件 三、递归的实际应用举例(一)求 n 的阶乘(二)顺序打印

Java编译生成多个.class文件的原理和作用

《Java编译生成多个.class文件的原理和作用》作为一名经验丰富的开发者,在Java项目中执行编译后,可能会发现一个.java源文件有时会产生多个.class文件,从技术实现层面详细剖析这一现象... 目录一、内部类机制与.class文件生成成员内部类(常规内部类)局部内部类(方法内部类)匿名内部类二、

Python如何使用__slots__实现节省内存和性能优化

《Python如何使用__slots__实现节省内存和性能优化》你有想过,一个小小的__slots__能让你的Python类内存消耗直接减半吗,没错,今天咱们要聊的就是这个让人眼前一亮的技巧,感兴趣的... 目录背景:内存吃得满满的类__slots__:你的内存管理小助手举个大概的例子:看看效果如何?1.

Python中随机休眠技术原理与应用详解

《Python中随机休眠技术原理与应用详解》在编程中,让程序暂停执行特定时间是常见需求,当需要引入不确定性时,随机休眠就成为关键技巧,下面我们就来看看Python中随机休眠技术的具体实现与应用吧... 目录引言一、实现原理与基础方法1.1 核心函数解析1.2 基础实现模板1.3 整数版实现二、典型应用场景2

Java的IO模型、Netty原理解析

《Java的IO模型、Netty原理解析》Java的I/O是以流的方式进行数据输入输出的,Java的类库涉及很多领域的IO内容:标准的输入输出,文件的操作、网络上的数据传输流、字符串流、对象流等,这篇... 目录1.什么是IO2.同步与异步、阻塞与非阻塞3.三种IO模型BIO(blocking I/O)NI

使用Java实现通用树形结构构建工具类

《使用Java实现通用树形结构构建工具类》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用Java实现通用树形结构构建工具类,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录完整代码一、设计思想与核心功能二、核心实现原理1. 数据结构准备阶段2. 循环依赖检测算法3. 树形结构构建4. 搜索子

利用Python开发Markdown表格结构转换为Excel工具

《利用Python开发Markdown表格结构转换为Excel工具》在数据管理和文档编写过程中,我们经常使用Markdown来记录表格数据,但它没有Excel使用方便,所以本文将使用Python编写一... 目录1.完整代码2. 项目概述3. 代码解析3.1 依赖库3.2 GUI 设计3.3 解析 Mark

C语言中的数据类型强制转换

《C语言中的数据类型强制转换》:本文主要介绍C语言中的数据类型强制转换方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录C语言数据类型强制转换自动转换强制转换类型总结C语言数据类型强制转换强制类型转换:是通过类型转换运算来实现的,主要的数据类型转换分为自动转换