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align

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By SimonCho 8 min read

今天看到了一个比较神奇的宏定义，关于字节对齐的,转换成比较能理解的语言就如下了。

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#include <iostream>

using namespace std;

// x 对 a 对齐，先 + ，之后利用低位取0

int align(int x,int a){
    int add = (x + a - 1); // 类似于ceiling的操作，(x + a - 1) / a
    int lowzero = ~(a - 1);// 此时，最低位1之后的为全0，之前的最低位1不变
    return (x + a - 1) & (~(a - 1));
}

int main(){
    int x,a;
    cin >> x >> a;
    cout << align(x,a) << endl;
    return 0;
}

这里先做一个上取整+,很类似于之前那个ceiling的操作。

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int ceil(int x,int a){
	return (x + a - 1) / a;
}

之后的字节对齐就比较显眼了，因为a确定只有一个1，要么32，要么16，要么8，所以让最低位之后的变0，高位全1就ok了.因为之前做了一个上取整的操作，之后得到的数一定是一个a的倍数。

结构对齐的规则

结构体内存对齐的规则是比较复杂的，但可以概括为以下几个主要原则：

  1. 基本对齐规则：

    • 每个成员变量的起始地址必须是其自身大小的整数倍。
    • 整个结构体的大小必须是其最大成员变量大小的整数倍。

  2. 结构体对齐值：

    结构体的对齐值是其成员中要求最严格对齐的类型的大小。通常是最大基本类型成员的大小。

  3. 成员排列：

    • 第一个成员放在偏移量为0的地方。
    • 后面每个成员的对齐值是该成员大小与结构体对齐值中的较小者。

  4. 填充：

    • 如果下一个成员的起始位置不满足其对齐要求，编译器会在当前位置和下一个成员之间插入填充字节。
    • 在结构体的最后，可能会添加填充以使整个结构体的大小是结构体对齐值的整数倍。

  5. 嵌套结构体：

    • 嵌套的结构体会按其自身的对齐要求对齐。
    • 包含嵌套结构体的外部结构体可能因此需要额外的填充。

  6. 位域（Bit fields）：

    • 位域的对齐规则可能因编译器而异。
    • 通常，包含位域的结构体会按照未使用位域时的规则对齐。

  7. 编译器特定行为：

    • 不同编译器可能有轻微不同的对齐策略，特别是在处理位域时。
    • 某些编译器可能会为了优化而重新排序成员（除非明确禁止）。

  8. 平台相关性：

    • 对齐规则可能因目标平台（32位/64位）而异。

  9. 特殊指令：

    • 可以使用 #pragma pack 或 __attribute__((packed)) 等指令来改变默认对齐行为。

示例：

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struct Example {
    char a;     // 1 byte
    int b;      // 4 bytes
    short c;    // 2 bytes
    double d;   // 8 bytes
};

在大多数64位系统上，这个结构体的内存布局可能是：

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a: 1 byte
   3 bytes padding
b: 4 bytes
c: 2 bytes
   6 bytes padding
d: 8 bytes

总大小为24字节（8的倍数，因为最大成员是8字节的double）。

pack的方法

#pragma pack 和 __attribute__((packed)) 都是用来控制结构体内存对齐的指令，但它们的使用方式和适用范围略有不同。让我们详细了解一下它们的作用：

  1. #pragma pack

    这是一个预处理指令，用于改变默认的内存对齐方式。

    • 语法：#pragma pack(n) 其中 n 通常是 1, 2, 4, 8 或 16。
    • 作用范围：从这条指令之后的所有结构体定义，直到遇到 #pragma pack() 或文件结束。
    • 功能：强制结构体按照 n 字节对齐，而不是默认的对齐方式。

    例如：

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    #pragma pack(1)
struct Example {
    char a;
    int b;
    short c;
};
#pragma pack()

    这会使 Example 结构体按 1 字节对齐，总大小为 7 字节，没有任何填充。

  2. __attribute__((packed))

    这是 GCC 和 Clang 等编译器支持的特性，用于个别结构体的紧凑布局。

    • 语法：将 __attribute__((packed)) 放在结构体定义的末尾。
    • 作用范围：仅适用于被修饰的单个结构体。
    • 功能：完全取消内存对齐，结构体成员会紧密排列，没有任何填充。

    例如：

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    struct Example {
    char a;
    int b;
    short c;
} __attribute__((packed));

    这个 Example 结构体的总大小将是 7 字节，成员之间没有填充。

这两种方法的主要作用是：

  1. 减少内存使用：通过减少或消除填充，可以使结构体更加紧凑。

  2. 控制数据布局：在需要精确控制内存布局的场景中很有用，比如与硬件通信或处理特定格式的二进制数据。

  3. 跨平台兼容性：在不同系统间传输数据时，确保数据结构的一致性。

  4. 优化特定场景：在某些情况下，紧凑的数据结构可能会提高缓存效率。

然而，使用这些指令时需要注意：

  • 可能会降低访问效率：未对齐的内存访问在某些架构上可能会很慢。
  • 可能导致硬件异常：某些处理器可能不支持未对齐的内存访问。
  • 可能影响可移植性：不同编译器对这些指令的支持可能不同。

因此，虽然这些指令在特定场景下很有用，但应谨慎使用，并充分考虑性能和兼容性的影响。

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