為什么鳥哥說 int 再怎么隨機(jī)也申請不到奇數(shù)地址

klinson 發(fā)布于2019-06-28 14:33 / 1052人閱讀

摘要：棧上各個(gè)變量申請的內(nèi)存，返回的地址是這段連續(xù)內(nèi)存的最小的地址。為什么用一個(gè)位的十六進(jìn)制來呢因?yàn)閭€(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)有位，每位有兩個(gè)狀態(tài)，那么就是，也就是。為什么用，純屬演示方便。結(jié)構(gòu)體里的字節(jié)對齊以成員中自身對齊值最大的那個(gè)值為標(biāo)準(zhǔn)。

原文：我的個(gè)人博客 https://mengkang.net/1046.html
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鳥哥微博

為什么要字節(jié)對齊

需要字節(jié)對齊的根本原因在于CPU訪問數(shù)據(jù)的效率問題。因?yàn)镃PU每次都是從以4字節(jié)（32位CPU）或是8字節(jié)（64位CPU）的整數(shù)倍的內(nèi)存地址中讀進(jìn)數(shù)據(jù)的。（更深入的原因，誰告知下），如果不對齊的話，很有可能一個(gè)4字節(jié)int需要分兩次讀取。具體演示看下面的實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)類型自身的對齊值

按各數(shù)據(jù)類型自身大小進(jìn)行對齊。變量的內(nèi)存地址正好位于它長度的整數(shù)倍

實(shí)驗(yàn)

#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{   
    char a = 1; // 0x7fff5fbff77f,sizeof(a):1
    int  b = 1; // 0x7fff5fbff778,sizeof(b):4
    int  c = 1; // 0x7fff5fbff774,sizeof(c):4
    char d = 1; // 0x7fff5fbff773,sizeof(e):1
    int  e = 1; // 0x7fff5fbff76c,sizeof(f):4
    
    printf("%p,sizeof(a):%lu
",&a,sizeof(a));
    printf("%p,sizeof(b):%lu
",&b,sizeof(b));
    printf("%p,sizeof(c):%lu
",&c,sizeof(c));
    printf("%p,sizeof(d):%lu
",&d,sizeof(d));
    printf("%p,sizeof(e):%lu
",&e,sizeof(e));

    return 0;
}

輔助以圖片說明，該圖左側(cè)是上面代碼的內(nèi)存圖，灰色部分表示該程序未使用的內(nèi)存。右側(cè)是在上面代碼的基礎(chǔ)上在char a后面聲明了一個(gè)short f。

從上面的實(shí)驗(yàn)和圖上我們可以找出以下規(guī)律：

abcde 五個(gè)變量的內(nèi)存地址從大到下依次分配的；

如果你細(xì)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的內(nèi)存地址并不是緊密挨著的；

而且int 類型的變量的內(nèi)存地址都是偶數(shù)（這也就是為什么鳥哥微博中說的不可能存在奇數(shù)的 int 變量的地址了）；

再細(xì)看，發(fā)現(xiàn) int 變量的地址都是可以被4整除，所以在棧上各變量是按各數(shù)據(jù)類型自身大小進(jìn)行對齊的。

新增的short f 地址也并沒有緊挨著a，而是跟自身數(shù)據(jù)大小對齊，也就是偶數(shù)地址開始申請。

棧上各個(gè)變量申請的內(nèi)存，返回的地址是這段連續(xù)內(nèi)存的最小的地址。

反過來想，如果不對齊，比如上例中的 a,b,c 三個(gè)變量的內(nèi)存地址緊挨著，而CPU每次只讀取8個(gè)字節(jié)，也就是說變量 c 還有最后一個(gè)字節(jié)沒有讀取進(jìn)來。訪問數(shù)據(jù)效率就降低了。

棧上各個(gè)變量申請的內(nèi)存，返回的地址是這段連續(xù)內(nèi)存的最小的地址。這是怎么回事呢？

我們還是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證下我上面畫的內(nèi)存圖，假如我有一個(gè)int變量，它的值占了滿了4個(gè)字節(jié)，那么它的四個(gè)字節(jié)里是怎么存放數(shù)據(jù)的，我們用十六進(jìn)制來演示0x12345678。

為什么用一個(gè)8位的十六進(jìn)制來呢？因?yàn)閕nt 4個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)有8位，每位有0/1兩個(gè)狀態(tài)，那么就是2^8=256，也就是16^2。所以用了一個(gè)8位的16進(jìn)制數(shù)正好可以填滿一個(gè) int 的內(nèi)存。
為什么用12345678，純屬演示方便。

我先存了變量 b，然后以 char 指針 p 來依次訪問 b 的四個(gè)字節(jié)的使用情況。

#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char a = 1;             // 0x7fff5fbff777
    int  b = 0x12345678;    // 0x7fff5fbff770
    char c = 1;             // 0x7fff5fbff76f
    printf("%p
",&a);
    printf("%p
",&b);
    printf("%p
",&c);

    char *p = (char *)&b;
    
    printf("%x %x %x %x
", p[0],p[1],p[2],p[3]); // 78 56 34 12
    printf("%p %p %p %p
", &p[0],&p[1],&p[2],&p[3]); // 0x7fff5fbff770 0x7fff5fbff771 0x7fff5fbff772 0x7fff5fbff773
        
    return 0;
}

變量 b 0x12345678的最高位是0x12，最低位是0x78
針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果我又畫了內(nèi)存圖，我們可以看到0x12存放在的內(nèi)存地址要比0x78的大。

這里呢就必須說明下大小端模式

小端法(Little-Endian)就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端即該值的起始地址，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

大端法(Big-Endian)就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端即該值的起始地址，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

所以，我當(dāng)前的環(huán)境是小端序的形式。

為什么會(huì)有大端小端之分？
這個(gè)就得問硬件廠商了，都比較任性，所以歷史就這樣了。

結(jié)構(gòu)體里的字節(jié)對齊

以成員中自身對齊值最大的那個(gè)值為標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    struct str1{
        char a;
        short b;
        int c;
    };
    
    printf("sizeof(f):%lu
",sizeof(struct str1));
    
    struct str2{
        char a;
        int c;
        short b;
    };
    
    printf("sizeof(g):%lu
",sizeof(struct str2));
    
    struct str1 a;
    printf("a.a %p
",&a.a);
    printf("a.b %p
",&a.b);
    printf("a.c %p
",&a.c);
    
    struct str2 b;
    printf("b.a %p
",&b.a);
    printf("b.c %p
",&b.c);
    printf("b.b %p
",&b.b);

    
    return 0;
}

結(jié)果

sizeof(f):8
sizeof(g):12
a.a 0x7fff5fbff778
a.b 0x7fff5fbff77a
a.c 0x7fff5fbff77c
b.a 0x7fff5fbff768
b.c 0x7fff5fbff76c
b.b 0x7fff5fbff770

原理

灰色表填充用來對齊，保證最后結(jié)構(gòu)體大小是最長的成員的大小的整數(shù)倍。

例外

實(shí)際工作中是否不按字節(jié)對齊的情況呢？有的，比如我們的 rpc 框架里面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，會(huì)選擇設(shè)置為緊湊型，這樣就可以輕松做到跨平臺(tái)，跨語言了。
在網(wǎng)絡(luò)程序中采用#pragma pack(1),即變量緊縮，不但可以減少網(wǎng)絡(luò)流量，還可以兼容各種系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)對齊方式不同而導(dǎo)致解包錯(cuò)誤。

實(shí)戰(zhàn)舉例 yar_header 中使用 #pragma pack(1) 和 attribute ((packed)) 的意義

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