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C语言基本概念----字节与对齐

article 2024/10/31 19:50:13

1. 字节（byte）

字节的概念是明确的，字节是存储器中可寻址的最小单元，而且每个单元都是由一系列连续的比特组成。每个字节都对应一个存储器地址，该地址称为字节地址，简称地址。

我们平时遇到的平台，其字节的长度大多数是8比特的，即一个字节由8个二进制位组成。但在C标准的各版本中并没有定义字节的长度，它由实现而定。比如一些计算机的字节长度是9比特，C实现时就按9比特定义字节的长度。因此，在C中，一个字节所包含的比特数是由实现定义的，但要求不能少于8比特。C实现在头文件limits.h中定义了字节的长度，我们可以在该文件中找到宏CHAR_BIT，它的数值可能会随着平台的不同而不同，但无论如何它都是定义了一个字节所包含的比特数。

2. 对齐（alignment）

受硬件布线的限制，或者为了提高存储器访问效率，要求特定类型的对象在存储器中的位置只能开始于某些特定的地址，而该地址是 N 的倍数( N 是2的幂，不超过物理内存芯片可以提供的实际地址范围)，我们就称该地址是 N 字节对齐（alignment）。当地址以二进制表示时，一个 N 字节对齐的地址最低位至少有

个位是零。例如：假设int的尺寸是4个字节，即按对齐要求，int类型的对象，可以位于0x08000004、0x08000008和0x0800000C等字节地址上，它们都是4的倍数，这些对象是对齐于4 的。long long int类型的对象（8字节），只能位于0x08000000、0x08000008、0x08000010、0x08000020等字节地址上，它们都是8的倍数。

当被访问的对象为 N 字节长且内存地址为N字节对齐时，称内存访问为对齐。当内存访问未对齐时，称为未对齐。注意，根据定义，字节内存访问总是对齐的，即 N 为1时，被访问的对象总是1字节对齐。

在C语言中，按照对齐来分配存储器时，各种类型的对象分配的内存的地址是不一样的。在Dev C++环境中，char对象是1字节对齐，int对象是4字节对齐，long long int对象是8字节对齐。

每个完整的对象类型都有一个称为对齐要求的属性，它是一个 size_t 类型的整数值，表示为该类型的对象分配的连续存储地址之间的字节数。有效的对齐值是 2 的非负整数幂。

一个类型的对齐要求可以用_Alignof（C11起）或 alignas查询。

为了满足结构中所有成员的对齐要求，可以在某些成员之后插入填充字节。

#include <stdio.h>#include <stdalign.h>
struct S {    char a; // size: 1, alignment: 1    char b; // size: 1, alignment: 1}; // size: 2, alignment: 1// S.a和S.b可以分配到任何地址，因此，// 结构S的对象可以分配到任何地址
struct X {    int n;  // size: 4, alignment: 4    char c; // size: 1, alignment: 1    // 填充3个字节}; // size: 8, alignment: 4// 因为int的对齐要求（通常）是4,所以， // X.n必须在4字节的边界上分配，// 结构X的对象必须在4字节的边界上分配
int main(void){    printf("sizeof(struct S) = %zu\n", sizeof(struct S));    printf("alignof(struct S) = %zu\n", alignof(struct S));    printf("sizeof(struct X) = %zu\n", sizeof(struct X));    printf("alignof(struct X) = %zu\n", alignof(struct X));}