內(nèi)存對(duì)齊原理

內(nèi)存對(duì)齊原理

對(duì)于程序而言，一個(gè)變量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)范圍是在一個(gè)尋址步長(zhǎng)范圍內(nèi)的話，這樣一次尋址就可以讀取到變量的值，如果是超出了步長(zhǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，就需要讀取兩次尋址再進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接，效率明顯降低了。例如一個(gè)double類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中占據(jù)8個(gè)字節(jié)，如果地址是8，那么好辦，一次尋址就可以了，如果是20呢，那就需要進(jìn)行兩次尋址了。

這樣就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)對(duì)齊的規(guī)則，也就是將數(shù)據(jù)盡量的存儲(chǔ)在一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)，避免跨步長(zhǎng)的存儲(chǔ)，這就是內(nèi)存對(duì)齊。

在32位編譯環(huán)境下默認(rèn)4字節(jié)對(duì)齊，在64位編譯環(huán)境下默認(rèn)8字節(jié)對(duì)齊。 現(xiàn)代處理器一般都有多個(gè)級(jí)別的高速緩存，處理器訪問(wèn)這些高速緩存里的數(shù)據(jù)的效率要比訪問(wèn)內(nèi)存里的數(shù)據(jù)效率高得多（就像處理器訪問(wèn)內(nèi)存里的數(shù)據(jù)，比訪問(wèn)磁盤里的數(shù)據(jù)效率高得多一樣。 就像上面介紹以的一樣，一般來(lái)說(shuō)，CPU 總是以字大?。?2 位處理器上常常為 4 個(gè)字節(jié)）訪問(wèn)數(shù)據(jù)，所以如果數(shù)據(jù)沒有內(nèi)存對(duì)齊，CPU 訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)時(shí)，可能就需要執(zhí)行更多次的讀取操作才行。

在這樣的機(jī)器上，讀取 2 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)往往比讀取 4 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)慢得多。 訪問(wèn)范圍提高 對(duì)于任意給定的地址空間，如果體系架構(gòu)可以確定 2 個(gè) LSB 總是 0（例如 32 位機(jī)器），那么它可以訪問(wèn) 4 倍多的內(nèi)存（2 個(gè)位能夠表示 4 個(gè)不同狀態(tài)）。從一個(gè)地址中去掉 2 個(gè) LSB，將得到 4 字節(jié)的內(nèi)存對(duì)齊，或者說(shuō)“跨距”，因?yàn)榈刂访吭黾右?，它就有效的增?bit 2，而不是 bit 0。

（鑒于低 2 位總是 00） 這甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的物理設(shè)計(jì)：如果地址總線的需要少 2 位，CPU 上的管腳就可以少 2 個(gè)。 前面提到 CPU 每次訪問(wèn)數(shù)據(jù)的寬度是一個(gè)字，如果C語(yǔ)言程序中的數(shù)據(jù)總是內(nèi)存對(duì)齊的，那么 CPU 訪問(wèn)數(shù)據(jù)總是原子性的，這對(duì)于許多無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他并發(fā)需求的正確操作至關(guān)重要。 規(guī)則： 1、數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則： 結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，**個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。

2、 結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的 整體對(duì)齊規(guī)則： 在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)**數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。 3、 結(jié)合1、2可推斷：當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過(guò)所有數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。 #pragma pack 其實(shí)就是指定內(nèi)存對(duì)齊系數(shù)，如1，2，4，8，16。

內(nèi)存對(duì)齊的作用

CPU讀取內(nèi)存粒度一般是2，4，8，16字節(jié)，當(dāng)CPU讀取非對(duì)齊內(nèi)存時(shí)，有可能需要兩次訪問(wèn)，而對(duì)齊內(nèi)存只需要一次。 假設(shè)下面的結(jié)構(gòu)體是按1字節(jié)對(duì)齊，CPU讀取內(nèi)存粒度為4，那么當(dāng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)成員c時(shí)，CPU需要先讀取前4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，然后再讀取后4字節(jié)的內(nèi)容。

不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)的，某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

Intel/AMD的x86/x86-64架構(gòu)則始終支持支持非對(duì)齊內(nèi)存訪問(wèn)，而在ARM架構(gòu)中，只有ARMv6及以上才支持非對(duì)齊內(nèi)存訪問(wèn)。 每個(gè)數(shù)據(jù)成員的偏移量必須是數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度和指定的對(duì)齊長(zhǎng)度中較小的那個(gè)的倍數(shù)。 結(jié)構(gòu)體大小必須是結(jié)構(gòu)體中**數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度和指定的對(duì)齊長(zhǎng)度中較小的那個(gè)的倍數(shù)。

內(nèi)存對(duì)齊問(wèn)題

1.平臺(tái)原因(移植原因)： 不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)的;某些硬件平臺(tái)只能 在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。 2.性能原因： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。

原因在于，為了訪問(wèn)未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問(wèn);而對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)僅需要一次訪問(wèn)。

(如果是對(duì)齊的，那么CPU不需要跨越兩個(gè)操作字，不是對(duì)齊的則需要訪問(wèn)兩個(gè)操作字才能拼接出需要的內(nèi)存地址) 指針的大小一般是一個(gè)機(jī)器字的大小 通過(guò)Go語(yǔ)言的structlayout工具，可以得出下圖 這些類型在之前的 slice 、 map 、 interface 已經(jīng)介紹過(guò)了，也特意強(qiáng)調(diào)過(guò)，makehmap函數(shù)返回的是一個(gè)指針，因此map的對(duì)齊為一個(gè)機(jī)器字. 回頭看看 sync.pool的防止copy的空結(jié)構(gòu)體字段,也是放在**位，破案了。 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)可能會(huì)要求內(nèi)存地址 進(jìn)行對(duì)齊;也就是說(shuō)，一個(gè)變量的地址是一個(gè)因子的倍數(shù)，也就是該變量的類型是對(duì)齊值。 函數(shù)Alignof接受一個(gè)表示任何類型變量的表達(dá)式作為參數(shù)，并以字節(jié)為單位返回變量(類型)的對(duì)齊值。對(duì)于變量x： 這是因?yàn)閕nt64在bool之后未對(duì)齊。

它是32位對(duì)齊的，但不是64位對(duì)齊的，因?yàn)槲覀兪褂玫氖?2位系統(tǒng)，因此實(shí)際上只是兩個(gè)32位值并排在一起。 ● 內(nèi)存對(duì)齊是為了cpu更高效訪問(wèn)內(nèi)存中數(shù)據(jù) ● 結(jié)構(gòu)體對(duì)齊依賴類型的大小保證和對(duì)齊保證 ● 地址對(duì)齊保證是：如果類型 t 的對(duì)齊保證是 n，那么類型 t 的每個(gè)值的地址在運(yùn)行時(shí)必須是 n 的倍數(shù)。

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊

1.什么是內(nèi)存對(duì)齊? 2.為什么要做內(nèi)存對(duì)齊? 3.結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊規(guī)則 4.源碼內(nèi)存對(duì)齊算法 計(jì)算機(jī)內(nèi)存都是以字節(jié)為單位劃分的，從理論上講似乎對(duì)任何類型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開始，但是實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)基本類型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放的位置有限制，它們會(huì)要求這些數(shù)據(jù)的首地址的值是某個(gè)數(shù)k(通常它為4或8的倍數(shù))，這就是所謂的內(nèi)存對(duì)齊。內(nèi)存對(duì)齊是一種在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中排列數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為變量的地址） 、訪問(wèn)數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為CPU讀取數(shù)據(jù)）的一種方式。

內(nèi)存對(duì)齊包含了兩種相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的部分：基本數(shù)據(jù)對(duì)齊和結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對(duì)齊 。

1.平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)的;某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。 2.性能原因：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問(wèn)未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問(wèn);而對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)僅需要一次訪問(wèn)。 當(dāng)我們定義一個(gè) struct 的時(shí)候，它在內(nèi)存中是怎么存儲(chǔ)的？占用了多少字節(jié)的內(nèi)存空間呢？ 從打印結(jié)果看出一個(gè)問(wèn)題,結(jié)構(gòu)體中變量相同,只是順序不同,結(jié)果影響結(jié)構(gòu)體占用內(nèi)存大小,這就是iOS中內(nèi)存對(duì)齊 1.數(shù)據(jù)成員對(duì)?規(guī)則:結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第 一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員存儲(chǔ)的起始位置要 從該成員大小或者成員的子成員大小(只要該成員有子成員，比如說(shuō)是數(shù)組， 結(jié)構(gòu)體等)的整數(shù)倍開始(比如int為4字節(jié),則要從4的整數(shù)倍地址開始存 儲(chǔ)。

min(當(dāng)前開始的位置m,n) m=9 n=4 9 10 11 12 2.結(jié)構(gòu)體作為成員:如果一個(gè)結(jié)構(gòu)里有某些結(jié)構(gòu)體成員,則結(jié)構(gòu)體成員要從 其內(nèi)部**元素大小的整數(shù)倍地址開始存儲(chǔ).(struct a里存有struct b,b 里有char,int ,double等元素,那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍開始存儲(chǔ).) 3.收尾工作:結(jié)構(gòu)體的總大小,也就是sizeof的結(jié)果,.必須是其內(nèi)部** 成員的整數(shù)倍.不足的要補(bǔ)?。 拿上面的兩個(gè)結(jié)構(gòu)體舉例說(shuō)明 sizeof 最終得到的結(jié)果是該數(shù)據(jù)類型占用空間的大小 class百科_getInstanceSize 獲取類的實(shí)例對(duì)象所占用的內(nèi)存大小 malloc_size 獲取系統(tǒng)實(shí)際分配的內(nèi)存大小 算法原理：k + 15 >> 4 << 4 ，其中 右移4 + 左移4相當(dāng)于將后4位抹零，跟 k/16 * 16一樣 ，是16字節(jié)對(duì)齊算法，小于16就成0了 對(duì)于一個(gè)對(duì)象來(lái)說(shuō)，其真正的對(duì)齊方式 是 8字節(jié)對(duì)齊，8字節(jié)對(duì)齊已經(jīng)足夠滿足對(duì)象的需求了 apple系統(tǒng)為了防止一切的容錯(cuò)，采用的是16字節(jié)對(duì)齊的內(nèi)存，主要是因?yàn)椴捎?字節(jié)對(duì)齊時(shí)，兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)存會(huì)緊挨著，顯得比較緊湊，而16字節(jié)比較寬松，利于蘋果以后的擴(kuò)展。