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使用数据对齐以提高内存系统的性能

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原理介绍

计算机系统对基本数据类型的合法地址做出了对齐限制，要求某种类型对象的地址必须是某个值 K 的倍数，K 值通常取 2、4 或者 8，这就叫做数据对齐

数据对齐的作用是，简化形成处理器和内存系统之间接口的硬件设计，减少内存操作，降低内存访问的次数

数据对齐的原则：
1）任何 K 字节的基本对象的地址必须是 K 的倍数，即每种类型的对象都需要满足它的对齐限制
2）为了实现数据对齐，编译器在字段的分配中插入间隙
3）结构本身对它的起始地址也有一些对齐要求
4）编译器需要保证指向结构体的指针也满足对齐要求
5）为了使得结构体数组中的每个元素也满足它的对齐要求，编译器在结构体的末尾也进行一些填充，其填充的字节数由结构体中的元素的最大 K 值决定

在 64 位机器上 K 作如下取值

K 类型
1 char
2 short
4 int, float
8 long, double char*

实例分析

例 1

考虑下面的结构体声明

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struct S1 {
    int i;      // 4
    char c;     // 1
    int j;      // 4
}

假设编译器用最小的 9 字节分配，则字段 i 的偏移为 0，字段 c 的偏移为 4，字段 j 的偏移为 5，这样的分配方式并不满足数据对齐的要求

我们可以在字段 c 和 j 之间插入一个 3 字节的间隙，这样就使得 j 的偏移增加到了 8，整个结构体的大小变为了 12 字节，这样就满足了数据对齐的要求

图示

例 2

考虑下面的结构体声明

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struct S1 {
    int i;      // 4
    int j;      // 4
    char c;     // 1
}

若将这个结构体打包成 9 个字节，只要保证结构的起始地址满足 4 字节对齐要求，我们仍然能够保证满足字段 i 和 j 的对齐要求，但如果用 S2 作如下声明

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struct S2 d[4];

我们发现，只分配 9 个字节，使得 d[0] 的地址为 $x_d$，d[1]、d[2]、d[3] 的地址分别为 $x_d + 9$、$x_d + 18$、$x_d + 27$，不能满足结构体数组 d 中每个元素的对齐要求，于是编译器会在字段 c 后填充 3 个字节，即为结构体 S2 分配 12 个字节，使得 d[1]、d[2]、d[3] 的地址分别为 $x_d + 12$、$x_d + 24$、$x_d + 36$，那么只要 $x_d$ 是 4 的倍数，所有的对齐限制就都可以满足了

图示

练习题

对下面每个结构体声明，确定每个字段的偏移量，结构体总的大小，以及在 x86-64 下它的对齐要求

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A. struct P1 { int i; char c; int j; char d; };
B. struct P2 { int i; char c; char d; long j; };
C. struct P3 { short w[3]; char c[3]; };
D. struct P4 { short w[5]; char *c[3]; };
E. struct P5 { struct P3 a[2]; struct P2 t; };

A.
字段 i 偏移量为 0
字段 c 偏移量为 4
字段 j 偏移量为 8
字段 d 偏移量为 12
结构体总的大小为 16 字节
对齐要求为 4 字节对齐

B.
字段 i 偏移量为 0
字段 c 偏移量为 4
字段 d 偏移量为 5
字段 j 偏移量为 8
结构体总的大小为 16 字节
对齐要求为 8 字节对齐

C.
字段 w 的偏移量为 0
字段 c 的偏移量为 6
结构体总的大小为 10 字节
对齐要求为 2 字节对齐

D.
字段 w 的偏移量为 0
字段 c 的偏移量为 16
结构体总的大小为 40 字节
对齐要求为 8 字节对齐

E.
字段 a 的偏移量为 0
字段 t 的偏移量为 24
结构体总的大小为 40 字节
对齐要求为 8 字节对齐

对于下列结构声明回答后续问题

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struct {
    char    *a;         // 8
    short    b;         // 2
    double   c;         // 8
    char     d;         // 1
    float    e;         // 4
    char     f;         // 1
    long     g;         // 8
    int      h;         // 4
} rec;

这个结构体中所有的字段的字节偏移量是多少？
这个结构体总的大小是多少？
重新排列这个结构中的字段，以最小化浪费的空间，然后再给出重排过的结构的字节偏移量和总的大小

字段 a 的偏移量为 0
字段 b 的偏移量为 8
字段 c 的偏移量为 16
字段 d 的偏移量为 24
字段 e 的偏移量为 28
字段 f 的偏移量为 32
字段 g 的偏移量为 40
字段 h 的偏移量为 48

填充 4 个字节以满足对 8 字节对齐的要求
结构体总的大小为 56 个字节

重新排列后为

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struct {
    char    *a;         // 8
    double   c;         // 8
    long     g;         // 8
    float    e;         // 4
    int      h;         // 4
    short    b;         // 2
    char     d;         // 1
    char     f;         // 1
} rec;

字段 a 的偏移量为 0
字段 c 的偏移量为 8
字段 g 的偏移量为 16
字段 e 的偏移量为 24
字段 h 的偏移量为 28
字段 b 的偏移量为 32
字段 d 的偏移量为 34
字段 f 的偏移量为 35

填充 4 个字节以满足对 8 字节对齐的要求
重新排列后结构体总的大小为 40 个字节