Data Alignment

關于數據對齊問題，現在多多少少有了一些接觸，簡單地說下自己的看法。

1、對齊的背景

大端和小端的問題有必要在這里介紹一下，計算機里面每個地址單元對應著一個字節，一個字節為8bit，對于位數大于8位的處理器來說，寄存器的寬度是大于一個字節的，例如16bit的short型變量x，在內存中的地址是0x0010，x的值為0x1122，0x11為高字節，0x22為低字節，常用的X86結構是小端模式，很多ARM，DSP都是小端模式，而KEIL C51則為大端模式。內存空間是按照byte進行劃分的，理論上對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際上訪問特定變量的時候經常在特定的內存地址訪問，這就需要各類型的數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序排列，這就是對齊。

2、對齊的原因

不同硬件平臺對存儲空間的處理是有很大不同的，一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。其他平臺可能沒有這種情況， 但是最常見的是如果不按照適合其平臺的要求對數據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為 32位）如果存放在偶地址開始的地方，那么一個讀周期就可以讀出，而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會需要2個讀周期，并對兩次讀出的結果的高低 字節進行拼湊才能得到該int數據。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。

3、對齊的實現

通常我們在寫代碼的時候是不需要考慮對齊的影響的，都是依賴編譯器來為我們選擇適合的對齊策略，我們也可以通過傳遞給編譯器預編譯指令來指定數據對齊的方法。

以struct數據結構的sizeof方法為例，環境是Mac OS X 64位內核，結構體的定義如下：

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

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

#pragma pack(2)
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

#pragma pack(1)
struct D {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

int main(int argc, char** argv)
{
printf("size of struct A : %lu /n", sizeof(struct A));
printf("size of struct B : %lu /n", sizeof(struct B));
printf("size of struct C : %lu /n", sizeof(struct C));
printf("size of struct D : %lu /n", sizeof(struct D));
return 0;
}

輸出：
size of struct A : 8
size of struct B : 12
size of struct C : 8
size of struct D : 7

結構體中包含了4字節長度的int一個，1字節長度的char一個以及2字節長度的short一個。加起來所用到的內存空間為7個字節，但實際使用sizeof時發現，結構體之間占用的內存是不一樣的。

關于對齊有幾個需要說明的：
（1）數據類型自身的對齊值：基本數據類型的自身對齊值，char類型為1，short類型為2，int，float，double為4；

（2）指定對齊值：#pragma pack(value)時的指定對齊值value；

（3）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；

（4）數據成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值或指定對齊值中較小值。

對于一個具體的數據結構的成員和其自身的對齊方式，有效對齊值N將最終決定數據存放地址的方式的值，對齊在N上就意味著數據“存放的起始地址%N=0”，

下面來針對上面的例子進行分析：
struct B {
char b;
int a;
short c;
};

假設B從地址空間0x0000開始，默認的對齊值是4（這里有個問題想請教大家，我的是64位的內核，但是測試我的默認對齊方式為4），第一個成員變量b的自身對齊值為1，比默認值小所以有效對齊值為1，存放地址0x0000%1=0，第二個成員變量a，自身對齊值為4，存放的起始地址為0x0004到0x0007這個4個連續的字節空間中，0x0004%4=0，第三個變量c，自身對齊值為2，存放的起始地址為0x0008到0x0009，地址同樣符合要求。結構體Ｂ的自身對齊值為變量中的最大對齊值（ｂ）4，（10+2）％4=0，所以0x000A到0x000B也是被結構體B占用。
內存中的示意圖：
b - - -
a a a a
c c

#pragma pack(2)
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

第一個變量b的自身對齊值為1，指定對齊值為2，有效對齊值為1，b存放在0x0000，a的自身對齊值為4，大于指定對齊值，所有有效的對齊值為2，a占有的字節為0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續字節中，c的自身對齊值為2，所以有效對齊值也是2，順序存放在0x0006、0x0007。結構體C的自身對齊值為4，所以有效對齊值為2，8%2=0。
內存中的示意圖：
b -
a a
a a
c c

其實想到內存中的示意圖一切都會簡單很多。