为什么结构在 64 位机器上与 4 字节（32 位）对齐？ [复制]

Question

我试图用这段代码理解一些关于结构填充的事情：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

struct azaza { // of course suboptimal arrangement of elements
     uint32_t addr1;
     uint32_t addr2;
     uint8_t tmp;
     uint32_t addr3;
     uint8_t flags;
};

int main(void) {
     printf("%d\n", sizeof(struct azaza));

     return 0;
}

输出为：20,
但我期待24，因为我的机器和我的操作系统是 64 位的，我认为对齐应该在 4 字节边界上。 为什么 x86-64 OS 上的结构对齐是在 4 字节边界上？

Answer 1

uint32_t 是 4 byte , 2 * uint32_t = 8 byte , uint8_t 是 1 byte 但是因为最大的变量大小是 4 byte，所以编译器将 uint8_t 填充为 4 byte，现在我们有 12 byte + uint32_t + uint8_t我们得到 20 字节。假设我们有

struct azaza {
 uint32_t addr1;
 uint8_t tmp;
 uint8_t tmp1;
 uint8_t tmp2;
 uint32_t addr3;
 uint8_t flags;
};

大小变为 4 + 4 字节块中的 3 字节 + 4 块中的 4 +1 字节 = 4 +4 +4 +4 = 16

struct azaza { 
 uint32_t tmp;
 uint8_t tmp1;
 uint8_t tmp2;
 uint8_t tmp3;
 uint64_t tmp4;
 uint8_t tmp5;
};

最大元素为8字节 tmptmptmptmptmp1tmp2tmp3-|tmp4tmp4tmp4tmp4tmp4tmp4tmp4tmp4|tmp5------- =24字节

Answer 2

另一个例子

  struct azaza {

 uint8_t t1;
 uint16_t t2;
 uint32_t t3;
 
};

最大的元素是 4 字节。考虑 - 作为空块。 t1-t2t2|t3t3t3t3 = 8 字节

Answer 3

“64 位机器”一词含糊不清。计算机处理器和系统在同一台机器上具有多种尺寸可能不同的特性，包括：

• 大多数处理器寄存器的宽度。
• 地址的宽度。
• 数据总线的宽度。
• 算术逻辑单元的宽度。

目前，我们假设所有这些都是 64 位。即便如此，我们为什么要求 uint32_t 与 64 位对齐？

需要对齐的一个原因是避免在内存传输中拆分访问。如果总线为 64 位宽，则系统通常设计为以 8 字节（64 位）的倍数访问内存。当处理器想要读取一些内存时，比如从 64 位地址读取，它只将前 61 位发送到内存设备。 （61 很多，但我们假设这台机器中的所有内容都是 64 位。）内存设备获得与这 61 位匹配的所有八个字节——我们没有发送的低三位的所有八个组合。它一次获取 8 个字节，因为这适合总线，而且我们希望提高效率。

因此，每当进程从内存中读取数据时，它总是会获得 8 个字节，并且这些字节将是 64 位对齐的。

现在我们可以看到，如果uint32_t 从某个地址开始，比如 xxx0101，其中 x 代表我们不关心的位，它的四个字节将位于地址 xxx0101、xxx0110、xxx0111 和 xxx1000。但是第四个字节在不同的八组中。前三个都在同一个组中，一个由初始位 xxx0 寻址。最后一个字节在一个新组 xxx1 中。要读取这个uint32_t，我们必须从内存中读取两次。那是低效的。

但是，如果uint32_t 位于地址 xxx0000 或 xxx1000，则其字节都在一个组中。它们可能是该组中的前四个或后四个字节，因此我们需要处理器能够从它从内存中获取的八个字节中选择前四个或后四个字节，但它只需要从内存中读取一次获取字节。

因此，uint32_t 的四字节对齐足以确保它足够好地对齐，我们只需要一次读取即可从内存中获取它。

几乎没有理由要求八字节对齐。一个原因可能是，如果它是八字节对齐的，我们就不需要处理器中的额外电线和开关来选择前四个字节或八个字节中的后四个字节。我们只需要拿前四个。但是这个微小的优势被这样一个事实大大压倒了，这意味着我们每八个字节只能存储一个uint32_t。一半的内存会被填充浪费掉。通过四字节对齐，我们可以很好地读取uint32_t 对象，并且一次可以读取两个。

使用uint8_t，八字节对齐会更糟糕，我们每八字节只能有一个uint8_t，浪费87.5%的内存。

在大多数情况下，长度为 n 字节的对象只需要有一个 n 字节对齐即可与硬件良好地执行（假设 n 是二的幂）。这种对齐方式将使它们能够巧妙地适应总线和内存操作，无论它们的宽度是多少。

此外，如果总线宽度为b且对象大小为n，则对齐要求可能只是b或n。一旦一个对象大于总线宽度，我们将需要多次传输才能获得它，而且通常要求比总线宽度更多的对齐也无济于事。