Linux内核：内存管理——内存对齐_64位linux对齐参数

先来看一下这个例子：

// 64位系统
#include<stdio.h>
 
struct{
    int  a;
    char b;
}s;
 
int main ()
{
    printf ("%d\n",sizeof(s);  
    return 0;
}

理论上，64位系统下，int占 4个byte，char占 1个byte，那么将它们放到一个结构体中应该占 4+1 = 5byte；但是实际上，通过运行程序得到的结果是 8byte，这就是内存对齐所导致的。
注：本文讨论的内容均是在64位系统下。

一、什么是内存对齐

计算机中内存空间是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是：在访问特定类型变量的时候通常在特定的内存地址访问，这就需要对这些数据在内存中存放的位置有限制，各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

内存对齐是编译器的管辖范围。表现为：编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

二、为什么要内存对齐

为了解释这个问题，我们先要了解一下处理器是如何读取内存的？

我们如果把内存看做是简单的字节数组，比如在C语言中，char *就可表示一块内存。那么或许我们会认为，它的内存读取方式可以按照1byte顺序读取，如下图。

然而，尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的，这取决于数据类型和处理器的设置；它一般会以双字节,四字节,8字节,16字节甚至32字节的块来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度.

现在我们知道，计算机的处理器是以一定大小的块来进行读取的，这作为我们的前提条件，那么为了解释为什么要内存对齐？我们不妨先看一看不对齐的情况会出现什么问题？

对齐跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址刚好位于它本身长度的整数倍，他就被称做自然对齐。例如一个整型变量（占4字节）的地址为0x00000016，那它就是自然对齐的。

现在假设一个整型变量(4字节)不是自然对齐的，它的起始地址落在0x00000002（图中蓝色区域），处理器想要访问它的值，按照4字节的块进行读取，从图中的0x0起读，读取4字节大小，读到0x3

这样的一次读取之后，我们并不能取到我们要访问的整型数据，紧接着处理器会继续再往下读，偏移4个字节，从0x4开始，读到0x7

到这里，处理器才能读取到了我们需要访问的内存数据，当然这中间还存在剔除与合并的过程。

所以，在此例中，当整型变量起始地址落在0x2时(不对齐)，处理器需要两次读取才能取到我们要访问的内容。

那如果是对齐的呢？

显然，如果是对齐的，对于本例，仅需读取1次，我们便可以读取到目标数据。

可见，对齐与否会影响到我们的读取效率。

同时：

各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些 特定类型的数据只能从某些 特定地址开始存取,而不是内存中任意地址都是可以读取的。
比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失

也正是由于只能在特定的地址处读取数据，所以在访问一些数据时，对于访问未对齐的内存，处理器可能需要进行多次访问；而对于对齐的内存，只需要访问一次就可以。

这就是为什么要内存对齐的原因。

内存对齐不仅便于CPU快速访问，同时合理的利用字节对齐可以有效地节省存储空间。

我们可以同时对比一下，不同内存存取粒度对同一任务的不同影响。

设定一个相同的任务：分别从Address0 和 Address1 中从地址0读取4个字节到处理器的寄存器中。

• 先看单字节粒度情况

两图中左侧表示内存，右侧表示寄存器，中间的箭头表示读取的过程。因为是单字节存取粒度，读取内存是按照1个字节进行访问的，所以对于Address0 来讲，要想从0的位置读取4个字节，需要读取4次，对于 Address1 也是一样的。即使他不是内存对齐的也无妨。

• 再看双字节粒度情况

从Address0 读取4个字节，相比于存取粒度为1字节的处理器，存取次数变成了一半，只需读取2次。由于每个内存访问都需要固定的开销，因此最小化访问次数确实可以提高性能。同时Address0 是内存对齐的（数据的起始位置落在0的位置上），所以第一次读取地址01，第二次读取地址23即可取到目标数据。

但是，从Address1 读取时。由于该地址未均匀地落在处理器的内存访问边界上（Address1 中寄存器黑框区域是该数据的内存地址区域，起始位置为1，不是对齐的），该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个2字节块（01），剔除不想要的字节（0地址），然后从地址2开始读取下一个2字节块（23），再从地址4开始读取下一个2字节块（45），剔除不想要的字节（地址5）。这样读取3次之后将最后留下的3块数据合并放入寄存器，才能取到目标数据。

• 四字节粒度情况呢？

具有四字节粒度的处理器从Address0 读取时，可以一次读取地址0123 就从对齐的地址中提取四个字节。

然而从Address1 读取时，因为是不对齐的，读取地址0123，剔除0地址，继而读取地址4567，剔除地址5、地址6、地址7 ，这样读取2次后将留下的2块数据合并放入寄存器，取到目标数据。

从双字节粒度和四字节粒度中可见，对于没有对齐的内存，需要做更多次的读取与剔除和合并的过程。这显然是降低效率的。

同时我们还需要注意到一点：对于对齐的内存，不同的存取粒度也会影响到存取效率。粒度小则存取次数多，粒度大则浪费空间。所以在每个特定平台上的编译器都有自己的默认存取粒度。

了解了内存对齐以及原因，我们继续看一下内存对齐的原则是什么。

三、内存对齐规则

对于标准数据类型

它的地址只要是它的长度的整数倍就行了

对于结构体

在结构体中，编译器为结构体的每个成员按其自然边界（alignment）分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构体的地址相同。具体规则如下：

1.第一个成员在结构体变量偏移量为0 的地址处，也就是第一个成员必须从头开始。
2.以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。
3.结构体的总大小为 最大对齐数的整数倍（每个成员变量都有自己的对齐数），如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。
4.如果嵌套结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

搞个例子尝尝

示例1：

struct test_t {
  int   a;
  long  b;
  short c;
};

第一个成员为int类型，占4字节，内存分布 00 01 02 03 ；用红色表示

第二个成员为long类型，占8字节，此时内存的的偏移量04不是8的整数倍，所以要填充字节（绿色表示填充字节），到0x7的位置，然后将long类型的数据b写入内存（黄色）

第三个成员是short类型，占2个字节，此时内存的偏移量16是short类型所占字节数的整数倍，所以直接写入内存（用蓝色表示）

至此，结构体内的数据数据成员已对齐，但是当前结构体的总大小为18，不满足规则3，所以需在最末的成员后面填充6个字节，使其总大小为24。

所以 此结构体的所占内存大小为24。

如果将结构体中的short类型与long类型换一下，

struct test_t {
  int   a;
  short b;
  long  c;
};

会是一个什么结果？我们依然用红色表示int类型，蓝色表示short类型，黄色表示long类型，绿色表示填充字节。

结果为16。可见，对于成员相同的结构体，如果改变成员的顺序，对于结构体所占空间的大小是会产生影响的，所以，我们不但要了解内存对齐，还是正确的利用内存对齐。

对于结构体嵌套结构体，在规则4中已经给出，这里的图就不再画了，聪明的你看到这里一定可以得到正确的答案。

我们再来回顾上面的对齐规则：

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；

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

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的空间的类型的字节数)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

这就是内存对齐的整体规则，但仍需注意的是：

在不同架构的处理器下，我们运行同一个示例得到的结果可能不同，甚至不同的编译器配置，也会影响这个结果，我们需要了解影响内存对齐规则的因素有哪些？

影响内存对齐结果的因素 ？

1.#pragma pack(n)

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。这里规定的是上界，只影响对齐单元大于n的成员，对于对齐字节不大于n的成员没有影响。

可以认为处理器一次性可以从内存中读/写n个字节。对于大小小于n的成员，按照自己的对齐条件对齐，因为不论怎么放都可以一次性取出。对于对齐条件大于n个字节的成员，成员按照自身的对齐条件对齐和按照n字节对齐需要相同的读取次数，但按照n字节对齐节省空间。

通过预编译命令#pragma pack()取消自定义字节对齐方式。

也可以写成：

#pragma pack(push,n)

#pragma pack(pop)

2.__attribute__((aligned (n)))

__attribute__((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。

__attribute__((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

需要注意的是：内存对齐的 对齐数 取决于 对齐系数 和 成员的字节数 两者之中的较小值。

举例说明：

struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}

默认情况下,结构的第一个成员x1，其偏移地址为0，占据了第1个字节。第二个成员x2为short类型，其起始地址必须2字节对界，因此，编译器在x2和x1之间填充了一个空字节。结构的第三个成员x3和第四个成员x4恰好落在其自然边界地址上，在它们前面不需要额外的填充字节。在test结构中，成员x3要求4字节对齐，是该结构所有成员中要求的最大边界单元，因而test结构的自然对齐条件为4字节，编译器在成员x4后面填充了3个空字节。整个结构所占据空间为12字节。

当使用：#pragma pack(1) //让编译器对这个结构作1字节对齐

#pragma pack(1) //让编译器对这个结构作1字节对齐
struct test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
};
#pragma pack() //取消1字节对齐，恢复为默认4字节对齐

这时候sizeof(struct test)的值为8。

同理：使用__attribute__((packed))

#define PACKED __attribute__((packed))
struct PACKED test
{
char x1;
short x2;
float x3;
char x4;
}test; 

这时候sizeof( test)的值仍为8。

总结

其实，内存对齐就是定制了一套规则，以合理的利用内存空间并提高内存访问效率。
编译器通过适当增加padding，使每个成员的访问都在一个指令里完成，而不需要多次访问再拼接。
是一个以空间换时间的过程。

原文作者：卖馍工程师

原文地址：关于内存对齐，看我（版权归原文作者所有，侵权留言联系删除）