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union 与struct的空间计算

2013-11-26 20:27 225 查看
一、x86

总体上遵循两个原则:

整体空间----占用空间最大的成员(的类型)所占字节数的整数倍

对齐原则----内存按结构成员的先后顺序排列,当排到该成员变量时,其前面已摆放的空间大小必须是该成员类型大小的整倍数,如果不够则补齐,以此向后类推

说明:假定结构体是从地址0开始依次存放各个变量的

struct s1
{        变量占据内存位置   去掉余下变量后结构体所占内存空间
char a;       //0               //1
double b;     //8-15            //16
int c;        //16-19        //24
char d;       //20           //24
short e;      //22-23        //24
short f;      //24-25        //32
} student;


详细解释:sizeof()用法汇总

为什么会有这样的规定呢?

这一定与处理器的字长有关(处理器一次存取数据的宽度)和编译器对结构体变量的处理有关。不幸的是,本人对x86架构不甚熟悉,只能借助与ARM结构来说明这个问题。

二、ARM

总体上遵循两个原则:

整体空间----如果含有>4字节类型的成员,整体空间是4字节数的整数倍;反之,都是<=4字节的成员,占用空间最大的成员类型所占字节数的整数倍

对齐原则----内存按结构成员的先后顺序排列。当排到该成员变量时,倘若该成员>4字节,其前面已摆放的空间大小必须是4的整倍数;倘若该成员<=4字节,其前面已摆放的空间大小必须是该成员类型大小的整倍数,如果不够则补齐。以此向后类推


说明:假定结构体是从地址0开始依次存放各个变量的

struct s1
{          变量占据内存位置    去掉余下变量后结构体所占内存空间
char a;       //0             //1
double b;     //4-11          //12
int c;        //12-15         //16
char d;      //16            //20
short e;     //18-19         //20
short f;     //20-21         //24
}student;


为什么会有这样的规定呢?

这一定与处理器的字长有关(处理器一次存取数据的宽度),所以必须先将ARM的字长,实际上涉及的内容是load/stort存储方式。ARM字长是32位,4个字节。也就是说,无论如何它都要使用32位数据总线(虽然它也支持字节/半字传送)。

ldr指令



什么意思呢?看程序你就知道了。

int类型变量的存储

AREA    Init,CODE,READONLY
IMPORT main

ENTRY

_entry
ldr r0,=0x12345678
ldr r1,=0x1000
str r0,[r1]

ldr     r2,[r1]       ;r2=0x12345678
ldr     r2,[r1,#1]    ;r2=0x78123456         不对齐发生旋转
ldr     r2,[r1,#2]    ;r2=0x56781234

bl main
END


试想,倘若我们定义了一个int变量,值为0x12345678,按照小端格式在0x1000、0x1001、0x1002、0x1003,依次存放的数据是0x78、0x56、0x34、0x12,而我们再从这儿(0x1000)取的时候,还是0x12345678。

假设我们按照小端格式存但是没有对齐(4字节对齐),在0x1001、0x1002、0x1003、0x1004,依次存放0x78、0x56、0x34、0x12,再假设0x1000单元存了一个0xab。那么我们再从这儿(0x1001)取的时候,取出来的就是0xab345678,显然读到的不是之前存的数据。

就算是,有一个非常聪明的编译器,知道如果没有对齐存放的话,将来取的时候,要从0x1001、0x1002、0x1003取一部分(一条指令),然后再从0x1004取一部分(一条指令),最后整合(好几条指令),这样的工作实在是麻烦,编译器的效率是极低的。

所以,最好的办法就是一开始存数据的时候,就根据其类型合适的对齐存放。例如int变量,就给它分配到能被4整除的地址上(实际上在它之前的存储空间大小就是4的倍数),而不要将其分配在不能被4整除的位置上。

倘若是double类型的变量,实在无可奈何,存的时候只有分两次存,读的时候分两次读,这也是32位机最快的方法。倘若没有对齐,不知道要在存取时折腾多少次。也就是说,把double类型(其实还有其他>4字节的类型)都是放在以4为倍数的地址上。

char型变量的存储

至于char型变量,是没什么要求的。

  ldr r0,=0x12345678
ldr r1,=0x1000
str r0,[r1]

ldrb    r2,[r1]       ;r2=0x00000078
ldrb    r2,[r1,#1]    ;r2=0x00000056
ldrb    r2,[r1,#2]    ;r2=0x00000034


ldrb指令,你从哪个地方读,就返回你想要的值,不会发生什么移位旋转的问题。所以,你把一个char型变量,放在任意位置都行,ldrb指令都能准确无误的将其取出。

short变量的存储

还有short变量,这个也是有说唱的。情况也有些复杂,但没有ldr指令那么复杂。

ldr r0,=0x12345678
ldr r1,=0x1000
str r0,[r1]

ldrh     r2,[r1]       ;r2=0x00005678
ldrh     r2,[r1,#1]    ;r2=0x00005678             不对齐读的还是0x10000的内容
ldrh     r2,[r1,#2]    ;r2=0x00001234


试想,倘若我们定义了一个short变量,值为0x5678,按照小端格式在0x1000、0x1001,依次存放的数据是0x78、0x56,而我们再从这儿(0x1000)取的时候,还是0x00005678。

假设我们按照小端格式存但是没有对齐(2字节对齐),在0x1001、0x1002 ,依次存放0x78、0x56,再假设0x1000单元存了一个0xab。那么我们再从这儿(0x1001)取的时候,取出来的就是0x000078ab,显然读到的不是之前存的数据。

所以在存储short变量时,是存在以2为倍数的地址上。

回到正题

由上可知,我们知道了变量在存储过程中对地址的限制。通常,这些非常底层的东西,程序员是无需知道的。只不过,当用到struct结构体时,会把这个问题翻出来。

结构体变量的成员是按次序在内存中排放,排放时候也需要遵从上边的限制。现在,那两条规则的原因就是这样了。

[b]结论[/b]

不同架构的处理器对应着一定的编译器,这些不同的编译器对struct变量的处理是不一样的。
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