烦请哪位老大可以介绍一下C语言中的内存对齐的原理和实现？

Ager

gvim 发表于 2012-08-29 03:15

64位(bits)

这话扯的

版主大虾看得仔细！赞 —— ：）

这种错误我可不敢犯唉……否则就成了“CMate”了。不过，如果我真的犯错的话，那么承担罪过责任和受罚也是应当的，版主大虾做裁判，对于我这个穷光蛋也应该要惩治严明。我虽“扯”也不应当免责遁罚。

那么……等我重新扯一下……把关系表达清楚……

的确怪我，呵呵……

Ager

gvim 发表于 2012-08-29 02:50
写这么多，也忒认真回复了吧，怎么的也得加8分吧，哈哈。

版主大虾厉害！是应该加分哦 —— 但好像普通用户不能给版友的帖子评分/加分吧，只有版主可以吧？（我想给大虾加分，把我自己的分消耗掉给你都可以呀！但我找不到按钮……）

我在上面把关系式补齐了，不过，这也都是我的扯，还等待大虾验证评判{:3_202:}

cq_3964

都是些什么呀，乱七八糟

liuiang

向楼上学习，顺便也唠叨几句。

针对楼主问题，我不确定是函数原型看不懂还是函数实现代码看不懂，所以胡乱说说。

内存分配会返回一个指针，那么对齐就意味着，返回的指针所指向的空间的访问地址是对齐的，

如果是2字节对齐，那么地址最低1bit一定是0，返回地址一定能被2整除，如果是4字节对齐则最低2 bits一定是0，

返回地址一定能被4整除，如果是16字节对齐则最后4bits一定是0，同样该地址可以被16整除。

原理4楼说的很清楚了，就是预先多分配一些空间，然后将返回的地址根据输入的对齐参数，向后偏移，返回即可。

实现则比较多，有一些也比较复杂，网上搜索了一下，建议你先看malloc的实现：

顺便给个链接参考：http://blog.csdn.net/dog250/article/details/5302958

malloc实现理解之后，对齐malloc其实就是一个简单变形，参考下图：

1.   p = memalign(16, 100);
   
2.        ______
   
3.       |      |
   
4.       |      |
   
5.         ...
   
6.       |      |
   
7.       |      |
   
8.       |      |
   
9.   p-> |______| 0x-------0
   
10.       |      | 0x-------F
    
11.       |      | 0x-------E
    
12.       |      | <- 我是一个管理分配出来的内存块的数据结构对象，我不知道我的起始地址应该是多少，
    
13.       |______|    但我知道我的结束地址是根据用户参数内存对齐的，比如这个例子俺们是16字节对齐
    

复制代码

现在楼主主要问题回答基本完成，既然大家都在扯，我也扯扯。

问题是：我们为什么需要对齐的内存？

简单的回答：效率。但根本原因是----硬件。反过来说，如果一个处理器或者一个硬件设备，他“可以”访问所有的

地址空间而不管地址是否是对齐的，并且效率完全都是一样的，那么我们可以认为，在这样的系统中，是不需要

专门进行对齐操作。但事实上这种假设在现代计算机系统中基本上是不成立的，主要包括：

1，硬件设备在进行DMA或者其他访问操作的时候，需要cache对齐或者page对齐，典型的是应用程序希望对IO设备
   进行直接操作的时候，会采用O_DIRECT选项，事实上是希望系统进行零拷贝，那么对于读写的buf就需要进行
   对齐操作，以方便硬件的访问。大部分的外设对内存对齐都会有不同程度的要求，嵌入式领域的SOC要求
   格外多。

2，Cache的对齐，楼上大侠们见解都很独到，这里不再罗嗦

3，Cpu本身访问数据的对齐要求。这里包含两个方面：

     第一是有些低端处理器，为了降低复杂度和功耗，设计的时候就需要程序指令对内存的访问必须遵循某些
         对齐要求，比如一些ARM或者MIPS。很多人觉得支持不对齐访问是个很简单的事情，其实不然，如果不对齐
         访问跨cache line，那么处理器需要同时处理器两个cache line的状态，同样推而广之，如果访存指令
         针对的地址跨了page，那么TLB要同时处理器两个page，相关问题可以对照楼上一些讨论编译器，数据类型，
         相关的论述查资料理解，这里也不展开了。

     第二是即使一些处理器支持不对齐访问，但仍旧有一些特殊指令对对齐有限制，典型的是原子指令，如x86下的
         CMPXCHG8B/16B，另外多媒体指令为了提升性能，也有一些有限制，这些都与cache和总线相关，
         这里也不展开了。

可能还有一些遗漏，希望有人可以补充。

Ager

liuiang 发表于 2012-08-29 11:09
向楼上学习，顺便也唠叨几句。

针对楼主问题，我不确定是函数原型看不懂还是函数实现代码看不懂，所以胡 ...

支持！赞：）

liuiang

其实我只是路过打酱油的。

superwujc

回复 25# Ager

感谢斑竹lenky0401和gvim老大，Ager大虾，file3，liuiang以及所有楼上大牛

真想不到这么具体的问题竟然可以如此形而上。。。。

感慨万千，不说了。。


   

g__gle

秘密在于，不同部分对内存“原子单元”的看法不同。

从指令上看，内存基本可寻址单位是byte，然后可以拼出多byte的内存。

从CPU与内存接口上看（不太确定），内存基本可寻址单位（一般）是寄存器长度，比如32bit x86，前端总线的寻址单位是4byte。地址总线的低位根本没有跟内存控制器相连，发过去的地址是说第addr个4byte。如果一个4byte时跨了4byte的边界，从指令上看，这应该是一次正常的内存操作；从硬件接口上看，它必需拆成两次。地址总线上发出去的信号无法描述这种请求。

从cache上看，基本可寻址单位是cache line。原理同上。一般只有操作系统关心这一级别上的对齐。

superwujc

回复 25# Ager

请问字节填充的规则是怎样的呢？网上说法不一，自己用程序验证如下

编译器类型和系统版本：

1. root@c-dev:~# gcc --version
   
2. gcc (Debian 4.4.5-8) 4.4.5
   
3. 
   
4. root@c-dev:/c/tlpi# uname -r
   
5. 2.6.32-5-amd64
   

复制代码

基本数据类型长度：data_type_length.c

1. #include <stdio.h>
   
2. 
   
3. #define LENGTH(x)\
   
4. printf(""#x" length as byte: %d\n", (sizeof (x)))
   
5. 
   
6. int main (void)
   
7. {
   
8.     LENGTH(char);
   
9.     LENGTH(int);
   
10.     LENGTH(short);
    
11.     LENGTH(long);
    
12.     LENGTH(float);
    
13.     LENGTH(double);
    
14.     LENGTH(long double);
    
15.     LENGTH(void*);
    
16. 
    
17.     return 0;
    
18. }
    

复制代码

编译运行，

1. root@c-dev:/c/tlpi# gcc data_type_length.c -o data_type_length
   
2. root@c-dev:/c/tlpi#
   
3. root@c-dev:/c/tlpi# data_type_length
   
4. char length as byte: 1
   
5. int length as byte: 4
   
6. short length as byte: 2
   
7. long length as byte: 8
   
8. float length as byte: 4
   
9. double length as byte: 8
   
10. long double length as byte: 16
    
11. void* length as byte: 8
    

复制代码

验证代码，align_mem1.c

1. #include <stdio.h>
   
2. #include <stddef.h>
   
3. 
   
4. int main (void)
   
5. {
   
6.     struct MixedData
   
7.     {   
   
8.         char a;
   
9.         short b;
   
10.         int c;
    
11.         long d;
    
12. 
    
13.         /*  
    
14.         short a;
    
15.         int b;
    
16.         char c;
    
17.         long d;
    
18.         */
    
19.     };  
    
20. 
    
21.     struct MixedData data0;
    
22.     struct MixedData * pt;
    
23. 
    
24.     printf ("The addresses:\n");
    
25.     printf ("pt = %p,\n&(pt->a) = %p,\n\
    
26. &(pt->b) = %p,\n&(pt->c) = %p,\n&(pt->d) = %p.\n",\
    
27.     pt, &(pt->a), &(pt->b), &(pt->c), &(pt->d));
    
28. 
    
29.     printf ("\n");
    
30.     printf ("offsets: a = %d, b = %d, c = %d and d = %d\n",\
    
31.     offsetof (struct MixedData, a), offsetof (struct MixedData, b),\
    
32.     offsetof (struct MixedData, c), offsetof (struct MixedData, d));
    
33. 
    
34.     printf ("\n");
    
35.     printf ("The instance data0\'s length as byte: %d\n", sizeof (data0));
    
36. 
    
37.     return 0;
    
38. }

复制代码

编译运行，结构成员以降序排列

1. root@c-dev:/c/tlpi/iobuf# align_mem1
   
2. The addresses:
   
3. pt = 0x4004a0,
   
4. &(pt->a) = 0x4004a0,
   
5. &(pt->b) = 0x4004a2,
   
6. &(pt->c) = 0x4004a4,
   
7. &(pt->d) = 0x4004a8.
   
8. 
   
9. offsets: a = 0, b = 2, c = 4 and d = 8
   
10. 
    
11. The instance data0's length as byte: 16
    
12. 
    

复制代码

但是结构成员的顺序会导致结果不同，打乱顺序后，

1. The addresses:
   
2. pt = 0x4004a0,
   
3. &(pt->a) = 0x4004a0,
   
4. &(pt->b) = 0x4004a4,
   
5. &(pt->c) = 0x4004a8,
   
6. &(pt->d) = 0x4004b0.
   
7. 
   
8. offsets: a = 0, b = 4, c = 8 and d = 16
   
9. 
   
10. The instance data0's length as byte: 24

复制代码

请问结构成员（推广到复合数据结构）的成员数据项间是按照怎样的规则来填充字节的呢？

abileliu

你这个是结构体对齐，不一样的 。回复 6# _Rayx