【轉帖】#pragma pack(n)

什麼是對齊，以及爲什麼要對齊：

    現代計算機中內存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何類型的變量的訪問可以從任何地址開始，但實際情況是在訪問特定變量的時候經常在特定的內存地址訪問，這就需要各類型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的一個接一個的排放，這就是對齊。
    各個硬件平臺對存儲空間的處理上有很大的不同，一些平臺對某些特定類型的數據只能從某些特定地址開始存取。其他平臺可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平臺要求對數據存放進行對齊，會在存取效率上帶來損失。比如有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設爲32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀週期就可以讀出，而如果存放在奇地址開始的地方，就可能會需要2個讀週期，並對兩次讀出的結果的高低字節進行拼湊才能得到該int數據。顯然在讀取效率上下降很多，這也是空間和時間的博弈。

對齊的實現
    通常，我們寫程序的時候，不需要考慮對齊問題，編譯器會替我們選擇適合目標平臺的對齊策略。當然，我們也可以通知給編譯器傳遞預編譯指令而改變對指定數據的對齊方法。
    但是，正因爲我們一般不需要關心這個問題，所以因爲編輯器對數據存放做了對齊，而我們不瞭解的話，常常會對一些問題感到迷惑，最常見的就是struct數據結構的sizeof結果，出乎意料。爲此，我們需要對對齊算法所瞭解。

#pragma pack(n) 的作用：

指定結構體、聯合以及類成員的packing alignment;

語法：

#pragma pack( [show] | [push | pop] [, identifier], n )

說明：
1，pack提供數據聲明級別的控制，對定義不起作用；
2，調用pack時不指定參數，n將被設成默認值；
3，一旦改變數據類型的alignment，直接效果就是佔用memory的減少，但是performance會下降；

語法具體分析：
1，show：可選參數；顯示當前packing aligment的字節數，以warning message的形式被顯示；
2，push：可選參數；將當前指定的packing alignment數值進行壓棧操作，這裏的棧是the internal compiler stack，同時設置當前的packing alignment爲n；如果n沒有指定，則將當前的packing alignment數值壓棧；
3，pop：可選參數；從internal compiler stack中刪除最頂端的record；如果沒有指定n，則當前棧頂record即爲新的packing alignment數值；如果指定了n，則n將成爲新的packing aligment數值；如果指定了identifier，則internal compiler stack中的record都將被pop直到identifier被找到，然後pop出identitier，同時設置packing alignment數值爲當前棧頂的record；如果指定的identifier並不存在於internal compiler stack，則pop操作被忽略；
4，identifier：可選參數；當同push一起使用時，賦予當前被壓入棧中的record一個名稱；當同pop一起使用時，從internal compiler stack中pop出所有的record直到identifier被pop出，如果identifier沒有被找到，則忽略pop操作；
5，n：可選參數；指定packing的數值，以字節爲單位；缺省數值是8，合法的數值分別是1、2、4、8、16。

重要規則：
1，複雜類型中各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個類型的地址相同；
2，每個成員分別對齊，即每個成員按自己的方式對齊，並最小化長度；規則就是每個成員按其類型的對齊參數（通常是這個類型的大小）和指定對齊參數中較小的一個對齊；
3，結構、聯合或者類的數據成員，第一個放在偏移爲0的地方；以後每個數據成員的對齊，按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度兩個中比較小的那個進行；也就是說，當#pragma pack指定的值等於或者超過所有數據成員長度的時候，這個指定值的大小將不產生任何效果；
4，複雜類型（如結構）整體的對齊<注意是“整體”>是按照結構體中長度最大的數據成員和#pragma pack指定值之間較小的那個值進行；這樣在成員是複雜類型時，可以最小化長度；
5，結構整體長度的計算必須取所用過的所有對齊參數的整數倍，不夠補空字節；也就是取所用過的所有對齊參數中最大的那個值的整數倍，因爲對齊參數都是2的n次方；這樣在處理數組時可以保證每一項都邊界對齊；

對齊的算法：
    由於各個平臺和編譯器的不同，現以本人使用的gcc version 3.2.2編譯器（32位x86平臺）爲例子，來討論編譯器對struct數據結構中的各成員如何進行對齊的。   

    在相同的對齊方式下，結構體內部數據定義的順序不同，結構體整體佔據內存空間也不同，如下：
設結構體如下定義：
struct A
{
     int    a;
     char   b;
     short  c;
};
    結構體A中包含了4字節長度的int一個，1字節長度的char一個和2字節長度的short型數據一個。所以A用到的空間應該是7字節。但是因爲編譯器要對數據成員在空間上進行對齊。所以使用sizeof(strcut A)值爲8。
現在把該結構體調整成員變量的順序。
struct B
{
     char  b;
     int   a;
     short c;
};
    這時候同樣是總共7個字節的變量，但是sizeof(struct B)的值卻是12。
下面我們使用預編譯指令#progma pack (value)來告訴編譯器，使用我們指定的對齊值來取代缺省的。
#progma pack (2) /*指定按2字節對齊，等價於#pragma pack(push,2)*/
struct C
{
      char b;
     int      a;
     short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊,等價於#pragma pack(pop)*/
sizeof(struct C)值是8。

修改對齊值爲1：
#progma pack (1) /*指定按1字節對齊*/
struct D
{
      char b;
      int      a;
      short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
sizeof(struct D)值爲7。

    對於char型數據，其自身對齊值爲1，對於short型爲2，對於int,float,double類型，其自身對齊值爲4，單位字節。  

    這裏面有四個概念值：
1.數據類型自身的對齊值：就是上面交代的基本數據類型的自身對齊值。
2.指定對齊值：#progma pack (value)時的指定對齊值value。
3.結構體或者類的自身對齊值：其數據成員中自身對齊值最大的那個值。
4.數據成員、結構體和類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中小的那個值。
    有了這些值，我們就可以很方便的來討論具體數據結構的成員和其自身的對齊方式。有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值，最重要。有效對齊N，就是表示“對齊在N上”，也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中的數據變量都是按定義的先後順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放，結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量佔用總長度需要是對結構體有效對齊值的整數倍，結合下面例子理解)。這樣就不能理解上面的幾個例子的值了。
例子分析：
分析例子B；
struct B
{
      char b;
      int      a;
     short c;
};
    一確認成員變量的對齊，用偏移量%有效對齊值是否爲0確認爲存放地址。

    假設B從地址空間0x0000開始排放。該例子中沒有定義指定對齊值，在筆者環境下，該值默認爲4。

    第一個成員變量b的自身對齊值是1，比指定或者默認指定對齊值4小，所以其有效對齊值爲1，所以其存放地址0x0000符合0x0000%1=0.

    第二個成員變量a，其自身對齊值爲4，所以有效對齊值也爲4，所以只能存放在起始地址爲0x0004到0x0007這四個連續的字節空間中，符合0x0004%4=0, 且緊靠第一個變量。

    第三個變量c,自身對齊值爲2，所以有效對齊值也是2，可以存放在0x0008到0x0009這兩個字節空間中，符合0x0008%2=0。所以從0x0000到0x0009存放的都是B內容。

    二整體對齊，第一步得出的值%結構體或者類的自身對齊值最終確認

    再看數據結構B的自身對齊值爲其變量中最大對齊值(這裏是b）所以就是4，所以結構體的有效對齊值也是4。根據結構體圓整的要求，0x0009到0x0000=10字節，（10＋2）％4＝0。所以0x0000A到0x000B也爲結構體B所佔用。故B從0x0000到0x000B共有12個字節,sizeof(struct B)=12;

    同理,分析上面例子C：
#progma pack (2) /*指定按2字節對齊*/
struct C
{
      char    b;
     int      a;
     short c;
};
#progma pack () /*取消指定對齊，恢復缺省對齊*/
    第一個變量b的自身對齊值爲1，指定對齊值爲2，所以，其有效對齊值爲1，假設C從0x0000開始，那麼b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;

    第二個變量，自身對齊值爲4，指定對齊值爲2，所以有效對齊值爲2，所以順序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四個連續字節中，符合0x0002%2=0。

    第三個變量c的自身對齊值爲2，所以有效對齊值爲2，順序存放在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以從0x0000到0x00007共八字節存放的是C的變量。

    又C的自身對齊值爲4，所以C的有效對齊值爲2。又8%2=0,C只佔用0x0000到0x0007的八個字節。所以sizeof(struct C)=8.