數據結構對齊
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數據結構對齊是程式編譯後資料在記憶體內的佈局與使用方式。包括三方面內容：數據對齊、數據結構填充（padding）與包入（packing）。
現代計算機CPU一般是以32位元或64位元大小作地址對齊，以32位元架構的計算機舉例,每次以連續的4位元組為一個區間,第一個位元組的位址位在每次CPU抓取資料大小的邊界上,除此之外,如果要訪問的變量沒有對齊，可能會觸發總線錯誤。
當資料小於計算機的字（word）尺寸，可能把幾個資料放在一個字中，稱為包入（packing）。
許多編程語言自動處理數據結構對齊。Ada語言，[1][2] PL/I,[3] Pascal,[4] 某些C語言與C++實現, D語言,[5] Rust,[6] 與匯編語言允許特別控制對齊的方式。
定義
[編輯]內存地址a被稱為n字節對齊，a是n的倍數（n應是2的冪），也可以理解為當被訪問的數據長度為n 字節時，數據地址為n字節對齊。如果內存未對齊，稱作misaligned。
內存指針是對齊的，如果它所指的數據是對齊的。指向聚合數據（aggregate data，如struct或數組）是對齊的，當且僅當它的每個組成數據是對齊的。
體系結構
[編輯]RISC
[編輯]大多數RISC處理器在加載或存儲指令訪問錯位的地址時，會產生一個對齊錯誤。這允許操作系統使用其他指令來模擬錯位的訪問。例如，對齊錯誤處理程序可以使用字節加載或存儲（其總是對齊的）來模擬更大的加載或存儲指令。
一些架構，如MIPS架構有特殊的無對齊加載和存儲指令。一條無對齊的加載指令從具有最低字節地址的內存字中獲取字節，另一條指令從具有最高字節地址的內存字中獲取字節。同樣的，store-high和store-low指令分別在較高和較低的內存字中存儲相應的字節。
DEC Alpha架構對不對齊的加載和存儲採用了兩步法。第一步是將上層和下層的內存字加載到獨立的寄存器中。第二步是使用類似於MIPS指令的特殊低/高指令來提取或修改內存字。通過將修改後的內存字存儲到內存中，就完成了一個無對齊存儲。造成這種複雜性的原因是，最初的Alpha架構只能讀取或寫入32位或64位的值。這被證明是一個嚴重的限制，經常導致代碼臃腫和性能不佳。為了解決這個限制，在最初的架構中加入了一個名為 "字節字擴展"（BXW）的擴展。它包括字節和字的加載和存儲指令。
因為這些指令比正常的內存加載和存儲指令更大、更慢，所以只有在必要時才可以使用它們。一些C和C++編譯器有一個 "無對齊 "屬性，可以應用於需要無對齊指令的指針。
x86
[編輯]x86體系架構最初是不要求內存對齊。一些SSE2指令要求數據是128比特(16字節)對齊。有些CPU指令用於未對齊訪問如MOVDQU。讀寫內存操作僅在對齊時才是原子的。
C語言struct在x86上的對齊
[編輯]C語言數據結構內的成員按照先後順序在內存中存儲。
默認對齊
[編輯]結構體中每個成員的類型通常有一個默認的對齊方式，也就是說，除非程序員另有要求，否則它將在一個預先確定的邊界上對齊。以下典型的對齊方式對微軟（Visual C++）、Borland/CodeGear（C++Builder）、Digital Mars（DMC）和GNU（GCC）的編譯器在為32位x86編譯時有效。
一個char（一個字節）變量將被1字節對齊。
一個short（兩個字節）變量將是2字節對齊的。
一個int（四個字節）變量將是4字節對齊的。
一個long（四個字節）變量將被4字節對齊。
一個float（四個字節）變量將是4字節對齊的。
一個double（8個字節）變量在Windows上是8字節對齊的，在Linux上是4字節對齊的（用-malign-double編譯時選項是8字節）。
一個long long（8個字節）變量將被4字節對齊。
一個long double（C++Builder和DMC為10個字節，Visual C++為8個字節，GCC為12個字節）變量在C++Builder上將是8字節對齊，DMC為2字節對齊，Visual C++為8字節對齊，GCC為4字節對齊。
任何指針（四個字節）都將是4字節對齊的。(例如：char*, int*)
與32位系統相比，LP64 64位系統在對齊方面唯一值得注意的區別是。
一個long（八個字節）變量將是8字節對齊的。
一個double（8個字節）變量將是8字節對齊的。
一個long long（8個字節）變量將是8字節對齊的。
一個long double（在Visual C++中是8個字節，在GCC中是16個字節）變量在Visual C++中是8字節對齊的，在GCC中是16字節對齊的。
任何指針（八個字節）變量都將是8字節對齊的。
有些數據類型取決於實現方式。
指定對齊
[編輯]一些編譯器（Microsoft,[7] Borland, GNU,[8]等等）使用#pragma directive指定對齊的包入（packing）。例如：
#pragma pack(push) /* push current alignment to stack */
#pragma pack(1) /* set alignment to 1 byte boundary */
struct MyPackedData
{
char Data1;
long Data2;
char Data3;
};
#pragma pack(pop) /* restore original alignment from stack */
這個結構在32位系統的大小為6字節。
缺省packing與#pragma pack
[編輯]Microsoft編譯器的項目缺省packing(編譯選項/Zp)與#pragma pack指令。#pragma pack指令僅能減少packing尺寸。[9]
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Ada Representation Clauses and Pragmas. GNAT Reference Manual 7.4.0w documentation. [2015-08-30]. （原始內容存檔於2015-10-13）.
- ^ F.8 Representation Clauses. SPARCompiler Ada Programmer's Guide (PDF). [2015-08-30]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-12-16）.
- ^ IBM System/360 Operating System PL/I Language Specifications (PDF). IBM. July 1966: 55–56 [2017-11-21]. C28-6571-3. （原始內容存檔 (PDF)於2019-05-29）.
- ^ Niklaus Wirth. The Programming Language Pascal (Revised Report) (PDF): 12. July 1973 [2017-11-21]. （原始內容 (PDF)存檔於2015-03-15）.
- ^ Attributes - D Programming Language: Align Attribute. [2012-04-13]. （原始內容存檔於2012-04-09）.
- ^ The Rustonomicon - Alternative Representations. [2016-06-19]. （原始內容存檔於2016-05-09）.
- ^ pack. [2017-11-21]. （原始內容存檔於2017-03-28）.
- ^ 6.58.8 Structure-Packing Pragmas. [2017-11-21]. （原始內容存檔於2017-01-08）.
- ^ Working with Packing Structures. MSDN Library. Microsoft. 2007-07-09 [2011-01-11]. （原始內容存檔於2012-10-18）.
- Bryant, Randal E.; David, O'Hallaron. Computer Systems: A Programmer's Perspective 2003. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. 2003 [2017-11-21]. ISBN 0-13-034074-X. （原始內容存檔於2007-08-06）.
外部連結
[編輯]- IBM developerWorks article on data alignment （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Article on data alignment and performance （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- MSDN article on data alignment
- Article on data alignment and data portability （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Byte Alignment and Ordering （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Intel Itanium Architecture Software Developer's Manual （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Data Alignment when Migrating to 64-Bit Intel® Architecture （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- PowerPC Microprocessor Family: The Programming Environments for 32-Bit Microprocessors