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有經驗的C語言程序常說的“內存對齊”,原因究竟是什么?

2021-02-17    分類: 網站建設

在C語言程序開發(fā)中,有時有經驗的程序員會提起“內存對齊”一詞,事實上,這也是C語言中結構體的 size 不等于它所有成員 size 之和的原因(C語言中的結構體的size,并不等于它所有成員size之和,為什么?),那么,C語言程序為什么要“內存對齊”呢?

C語言程序為什么要“內存對齊”呢?

為什么要“內存對齊”?

因此,對于C語言程序中的一些數(shù)據(jù)而言,進行“內存對齊”至少有以下幾點好處:

CPU 總是以字大小訪問數(shù)據(jù)

假設在C語言程序開發(fā)中,我們在內存里定義了下面這樣的數(shù)據(jù)結構:

struct mystruct { char c; // one byte int i; // four bytes short s; // two bytes}

在 32 位處理器上,上述數(shù)據(jù)結構可能會被按照下圖這樣排列(即所謂的“內存對齊”):

上述數(shù)據(jù)結構可能會被按照這樣排列

此時,處理器訪問結構體 mystruct 的任意一個成員都只需一次訪問。如果沒有內存對齊,mystruct 的各個成員在內存中緊密排列,如下圖:

在內存中緊密排列

此時,如果處理器需要從 0x05 處讀取 16 位數(shù)據(jù),處理器將不得不從 0x04 處讀取一個字(這里等于 4 字節(jié)),然后左移一個字節(jié),將結果放入 16 位寄存器中。

如果處理器需要從 0x01 處讀取 32 位數(shù)據(jù),效率就降低至少 2 倍了:處理器不得不從 0x00 處讀取一個字,并且左移一個字節(jié),然后從 0x04 處再讀取一個字,并且右移 3 個字節(jié),最終使用 OR 位運算將兩次讀取結果拼接,才能達成目的。

訪問范圍提高

空間

,如果體系架構可以確定 2 個 LSB 總是 0(例如 32 位機器),那么它可以訪問 4 倍多的內存(2 個位能夠表示 4 個不同狀態(tài))。從一個地址中去掉 2 個 LSB,將得到 4 字節(jié)的內存對齊,或者說“跨距”,因為地址每增加一,它就有效的增加 bit 2,而不是 bit 0。(鑒于低 2 位總是 00)

這甚至會影響系統(tǒng)的物理設計:如果地址總線的需要少 2 位,CPU 上的管腳就可以少 2 個。

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