編譯器地址8位元組對齊

1. 簡述什麼叫做位元組對齊,編程時使用什麼方式在代碼中說

什麼是位元組對齊：

位元組(Byte)是計算機信息技術用於計量存儲容量和傳輸容量的一種計量單位，一個位元組等於8位二進制數，在UTF-8編碼中，一個英文字元等於一個位元組。

位元組按照一定規則在空間上排列就是位元組對齊。

解釋：

現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變數的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定類型變數的時候經常在特 定的內存地址訪問，這就需要各種類型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。

作用和原因：

各個硬體平台對存儲空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。比如有些架構的CPU在訪問 一個沒有進行對齊的變數的時候會發生錯誤，那麼在這種架構下編程必須保證位元組對齊。其他平台可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平台要求對 數據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。

比如有些平台每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要2個讀周期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該32bit數據。

准則：

其實位元組對齊的細節和具體編譯器實現相關，但一般而言，滿足三個准則：

1) 結構體變數的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；

2) 結構體每個成員相對於結構體首地址的偏移量都是成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充位元組；例如上面第二個結構體變數的地址空間。

3) 結構體的總大小為結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在最末一個成員之後加上填充位元組。

概念與規則：

四個基本概念

1.數據類型自身的對齊值：對於char型數據，其自身對齊值為1，對於short型為2，對於int,float類型，其自身對齊值為4，對於double型，其自身對齊值為8，單位位元組。

2.結構體或者類的自身對齊值：其成員中自身對齊值最大的那個值。

3.指定對齊值：#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

4.數據成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。對齊規則有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是表示「對齊在N上」，也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中的數據變數都是按定義的先後順序來排放的。第一個數據變數的起始地址就是數據結構的起始地址。結構體的成員變數要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整。

2. 內存對齊的詳細解釋

大部分的參考資料都是如是說的：
1、平台原因(移植原因)：不是所有的硬體平台都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬體平台只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬體異常。
2、性能原因：數據結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在於，為了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。 每個特定平台上的編譯器都有自己的默認「對齊系數」(也叫對齊模數)。程序員可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的「對齊系數」。
規則：
1、數據成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的數據成員，第一個數據成員放在offset為0的地方，以後每個數據成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度中，比較小的那個進行。
2、結構(或聯合)的整體對齊規則：在數據成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行。
3、結合1、2可推斷：當#pragma pack的n值等於或超過所有數據成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。
Win32平台下的微軟C編譯器(cl.exefor 80×86)的對齊策略：
1)結構體變數的首地址是其最長基本類型成員的整數倍；
備註：編譯器在給結構體開辟空間時，首先找到結構體中最寬的基本數據類型，然後尋找內存地址能是該基本數據類型的整倍的位置，作為結構體的首地址。將這個最寬的基本數據類型的大小作為上面介紹的對齊模數。
2)結構體每個成員相對於結構體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充位元組（internal adding）；
備注:為結構體的一個成員開辟空間之前，編譯器首先檢查預開辟空間的首地址相對於結構體首地址的偏移是否是本成員的整數倍，若是，則存放本成員，反之，則在本成員和上一個成員之間填充一定的位元組，以達到整數倍的要求，也就是將預開辟空間的首地址後移幾個位元組。
3)結構體的總大小為結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，如有需要，編譯器會在最末一個成員之後加上填充位元組（trailing padding）。
備註：結構體總大小是包括填充位元組，最後一個成員滿足上面兩條以外，還必須滿足第三條，否則就必須在最後填充幾個位元組以達到本條要求。
4) 結構體內類型相同的連續元素將在連續的空間內，和數組一樣。
5) 如果結構體內存在長度大於處理器位數的元素，那麼就以處理器的倍數為對齊單位；否則，如果結構體內的元素的長度都小於處理器的倍數的時候，便以結構體裡面最長的數據元素為對齊單位。 我們通過一系列例子的詳細說明來證明這個規則吧!
我試驗用的編譯器包括GCC 3.4.2和VC6.0的C編譯器，平台為Windows XP + Sp2。
我們將用典型的struct對齊來說明。首先我們定義一個struct：
#pragma pack(n) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */
struct test_t {
int a;
char b;
short c;
char d[6];
};
#pragma pack(n)
首先我們首先確認在試驗平台上的各個類型的size，經驗證兩個編譯器的輸出均為：
sizeof(char) = 1
sizeof(short) = 2
sizeof(int) = 4
我們的試驗過程如下：通過#pragma pack(n)改變「對齊系數」，然後察看sizeof(struct test_t)的值。
1、1位元組對齊(#pragma pack(1))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 13[兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員數據對齊
#pragma pack(1)
struct test_t {
int a; /* int型，長度4 > 1 按1對齊；起始offset=0 0%1=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* char型，長度1 = 1 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* short型，長度2 > 1 按1對齊；起始offset=5 5%1=0；存放位置區間[5,6] */
char d[6]; /* char型，長度1 = 1 按1對齊；起始offset=7 7%1=0；存放位置區間[7,C] */
};/*char d[6]要看成6個char型變數*/
#pragma pack()
成員總大小=13
2) 整體對齊
整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 1) = 1
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊系數) 圓整 = 13 /*13%1=0*/ [注1]
2、2位元組對齊(#pragma pack(2))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 14 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員數據對齊
#pragma pack(2)
struct test_t {
int a; /* int型，長度4 > 2 按2對齊；起始offset=0 0%2=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* char型，長度1 < 2 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* short型，長度2 = 2 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d[6]; /* char型，長度1 < 2 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8,D] */
};
#pragma pack()
成員總大小=14
2) 整體對齊
整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 2) = 2
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊系數) 圓整 = 14 /* 14%2=0 */
3、4位元組對齊(#pragma pack(4))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 16 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員數據對齊
#pragma pack(4)
struct test_t {
int a; /* int型，長度4 = 4 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* char型，長度1 < 4 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /*short型， 長度2 < 4 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d[6]; /* char型，長度1 < 4 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8,D] */
};
#pragma pack()
成員總大小=14
2) 整體對齊
整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 4) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊系數) 圓整 = 16 /*16%4=0*/
4、8位元組對齊(#pragma pack(8))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 16 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員數據對齊
#pragma pack(8)
struct test_t {
int a; /* int型，長度4 < 8 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* char型，長度1 < 8 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* short型，長度2 < 8 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d[6]; /* char型，長度1 < 8 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8,D] */
};
#pragma pack()
成員總大小=14
2) 整體對齊
整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 8) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊系數) 圓整 = 16 /*16%4=0*/
5、16位元組對齊(#pragma pack(16))
輸出結果：sizeof(struct test_t) = 16 [兩個編譯器輸出一致]
分析過程：
1) 成員數據對齊
#pragma pack(16)
struct test_t {
int a; /* int型，長度4 < 16 按4對齊；起始offset=0 0%4=0；存放位置區間[0,3] */
char b; /* char型，長度1 < 16 按1對齊；起始offset=4 4%1=0；存放位置區間[4] */
short c; /* short型，長度2 < 16 按2對齊；起始offset=6 6%2=0；存放位置區間[6,7] */
char d[6]; /* char型，長度1 < 16 按1對齊；起始offset=8 8%1=0；存放位置區間[8,D] */
};
#pragma pack()
成員總大小=14
2) 整體對齊
整體對齊系數 = min((max(int,short,char), 16) = 4
整體大小(size)=$(成員總大小) 按 $(整體對齊系數) 圓整 = 16 /*16%4=0*/ 8位元組和16位元組對齊試驗證明了「規則」的第3點：「當#pragma pack的n值等於或超過所有數據成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果」。另外內存對齊是個很復雜的東西，讀者不妨把上述結構體中加個double型成員進去練習一下，上面所說的在有些時候也可能不正確。呵呵^_^
[注1]
什麼是「圓整」？
舉例說明：如上面的8位元組對齊中的「整體對齊」，整體大小=9 按 4 圓整 = 12
圓整的過程：從9開始每次加一，看是否能被4整除，這里9，10，11均不能被4整除，到12時可以，則圓整結束。
上面文字表述太不直觀了，鄙人給段代碼直觀的體現出來，代碼如下：
#pragma pack(4) /* n = 1, 2, 4, 8, 16 */struct test_t{int a;char b;short c;char d[6];}ttt;void print_hex_data(char *info, char *data, int len){int i;dbg_printf(%s: , info);for(i = 0; i < len; i++){dbg_printf(%02x , (unsigned char)data[i]);if (0 == ((i+1) % 32))dbg_printf( );}dbg_printf( );}int main(){ttt.a = 0x1a2a3a4a;ttt.b = 0x1b;ttt.c = 0x1c2c;char *s = 123456;memcpy(ttt.d, s, 6);print_hex_data(struct_data, (char *)&ttt, sizeof(struct test_t));return 0;}
#pragma pack(1)的結果：
4a 3a 2a 1a 1b 2c 1c 31 32 33 34 35 36
#pragma pack(2)的結果：
4a 3a 2a 1a 1b 00 2c 1c 31 32 33 34 35 36
#pragma pack(4)的結果：
4a 3a 2a 1a 1b 00 2c 1c 31 32 33 34 35 36 00 00
#pragma pack(8)的結果：
4a 3a 2a 1a 1b 00 2c 1c 31 32 33 34 35 36 00 00
#pragma pack(16)的結果：
4a 3a 2a 1a 1b 00 2c 1c 31 32 33 34 35 36 00 00

3. C語言內存對齊問題.

為了有助於加快計算機的取數速度，編譯器默認會對結構體進行處理（實際上其它地方的數據變數也是如此），讓寬度為2的基本數據類型（short等）都位於能被2整除的地址上，讓寬度為4的基數據類型（int等）都位於能被4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個數中間就可能需要加入填充位元組，所以整個結構體的sizeof值就增長了。

位元組對齊的細節和編譯器實現相關，但一般而言，滿足三個准則：
1) 結構體變數的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除；
2) 結構體每個成員相對於結構體首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數倍，如有
需要編譯器會在成員之間加上填充位元組（internal adding）；
3) 結構體的總大小為結構體最寬基本類型成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在最末一
個成員之後加上填充位元組（trailing padding）。

你這里struct的首地址要能被double的8位元組整除，

1. char佔1位元組

2. int要被此時的地址整除，那麼需要補上3位元組，所以這里一共該是8位元組

3. short2位元組的，一共10位元組，不滿足3），不能整除int，故添加2位元組

4. 最後是double 8位元組，這里地址應該是首地址+12不能被8整除，所以+4位元組。最後一共24B！

   問題解決求採納！