結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對齊方法的研究

王若

摘要：內(nèi)存地址對齊，是一種在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中排列數(shù)據(jù)、訪問數(shù)據(jù)的一種方式。當(dāng)今的計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)都是按字（word）大小塊來進(jìn)行操作的。基本類型數(shù)據(jù)對齊就是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的偏移地址必須等于一個(gè)字（word）的倍數(shù)，按這種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，可以提升系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)的性能。有時(shí)候?yàn)榱藢R數(shù)據(jù)，可能必須在上一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束和下一個(gè)數(shù)據(jù)開始的地方插入一些沒有用處字節(jié)，這就是結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對齊。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)

一、假設(shè)計(jì)算機(jī)的字大小為4個(gè)字節(jié)，因此變量在內(nèi)存中的首地址都是滿足4地址對齊，CPU只能對4的倍數(shù)的地址進(jìn)行讀取，而每次能讀取4個(gè)字節(jié)大小的數(shù)據(jù)

假設(shè)有一個(gè)整型的數(shù)據(jù)a的首地址不是4的倍數(shù)，因此想讀取a的數(shù)據(jù)，CPU要進(jìn)行兩次內(nèi)存讀取，而且還要對兩次讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能得到a的數(shù)據(jù)，而一個(gè)程序的瓶頸往往不是CPU的速度，而是取決于內(nèi)存的帶寬，因?yàn)镃PU得處理速度要遠(yuǎn)大于從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)的速度，因此減少對內(nèi)存空間的訪問是提高程序性能的關(guān)鍵[1]。從上例可以看出，采取內(nèi)存地址對齊策略是提高程序性能的關(guān)鍵。

二、結(jié)構(gòu)體默認(rèn)的規(guī)則

本文所述的環(huán)境均是在32位編譯器的編譯環(huán)境中，一般編譯器默認(rèn)對齊方式是4字節(jié)。

總結(jié)結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)對齊方式滿足條件：

1、結(jié)構(gòu)體變量的首地址能夠被其最寬基本類型成員的大小所整除。2、結(jié)構(gòu)體每個(gè)成員相對于結(jié)構(gòu)體首地址的偏移量（offset）都是成員自身大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在成員之間加上填充字節(jié)。3、結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，如有需要編譯器會(huì)在最末一個(gè)成員之后加上填充字節(jié)。

三、手動(dòng)對齊方式

如果編譯器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體對齊，我們就稱為自動(dòng)對齊，與之相反，使用#pragma進(jìn)行對齊的就是手動(dòng)對齊。

#pragma備用告訴編譯器，程序員自己希望的對齊方式。比如，雖然編譯器的默認(rèn)對齊方式是4，但是如果我們不希望按照4對齊，而是希望是8，這個(gè)時(shí)候就必須使用#pragma進(jìn)行手動(dòng)對齊了。

常用的設(shè)置手動(dòng)對齊的命令有兩種：第一種是#pragmapack（），這種就是設(shè)置編譯器1字節(jié)對齊，不過也可以認(rèn)為是設(shè)置為不對齊或者取消對齊；第二種是

#pragmapack（4），這個(gè)括號(hào)中的數(shù)字表示希望以多少字節(jié)進(jìn)行對齊。

我們需要#prgamapack（n）開頭，以#pragmapack（）結(jié)尾，定義一個(gè)區(qū)間，這個(gè)區(qū)間內(nèi)的對齊參數(shù)就是n。

舉例說明

（一）自動(dòng)對齊方式或者是默認(rèn)4字節(jié)對齊

分析代碼：根據(jù)基本數(shù)據(jù)類型對齊規(guī)則可知，c（字節(jié)），i（4字節(jié)），d（8字節(jié)），b（2字節(jié)）。是不是結(jié)果就是1+4+8+2呢？很明顯不是，c是首元素，不需要對齊，但是后面的就需要對齊了，i是4字節(jié)，但是它的起始偏移量只有1字節(jié)，不能整除4，因此就在c后面再加3個(gè)字節(jié)，當(dāng)遇到d時(shí)，由于之前的偏移量就是8，所以不需要偏移，在b之前有16字節(jié)，這時(shí)也不需要偏移就是直接加上2。所以最后結(jié)果就是1+3+4+8+2=20，對不對呢？其實(shí)是不對的，因?yàn)?8不是默認(rèn)對齊4的整數(shù)倍，還需要在后面補(bǔ)充2字節(jié)。一共就是20字節(jié)。

分析：該結(jié)果就是24字節(jié)，分析同上，但是在最后一步不一樣，對齊是8字節(jié)，所以在b后面還需要添加6字節(jié)。最終結(jié)果就是24.

四、結(jié)語

需要字節(jié)對齊的根本原因在于CPU訪問數(shù)據(jù)的效率問題。因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以處理數(shù)據(jù)位數(shù)都是確定的，這時(shí)候就說明它一次性只能處理確定位數(shù)的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)認(rèn)為造成該數(shù)據(jù)不在計(jì)算機(jī)一次性可訪問的范圍內(nèi)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)就會(huì)按照一定的優(yōu)化方法來處理，這樣是更加方便和快捷的處理數(shù)據(jù)。也就是強(qiáng)制的要求一來簡化了處理器與內(nèi)存之間傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二來可以提升讀取數(shù)據(jù)的速度。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳榮，蔡志勇，胡保安. 基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J]. 科技廣場，2005，（06）：82-84.