C语言字对齐

1.现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

2.对齐的作用和原因：各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个i nt型（假设为32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

二、对齐的实现

通常，我们写程序的时候，不需要考虑对齐问题。编译器会替我们选择适合目标平台的对齐策略。当然，我们也可以通知给编译器传递预编译指令而改变对指定数据的对齐方法。

但是，正因为我们一般不需要关心这个问题，所以因为编辑器对数据存放做了对齐，而我们不了解的话，常常会对一些问题感到迷惑。最常见的就是struct数据结构的sizeof结果，出乎意料。为此，我们需要对对齐算法所了解。

对齐的算法：

由于各个平台和编译器的不同，现以本人使用的gcc version3.2.2编译器（32位x86平台）为例子，来讨论编译器对struct数据结构中的各成员如何进行对齐的。

设结构体如下定义：

struct A{

int a;

char b;

short c;

};

结构体A中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个和2字节长度的short型数据一个。所以A用到的空间应该是7字节。但是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

所以使用sizeof(strcut A)值为8。

现在把该结构体调整成员变量的顺序。

struct B{

char b;int a;

short c;

};

这时候同样是总共7个字节的变量，但是sizeof(struct B)的值却是12。

下面我们使用预编译指令#pragma pack(value)来告诉编译器，使用我们指定的对齐值来取代缺省的。

#progma pack(2)/*指定按2字节对齐*/

struct C{

char b;

int a;

short c;

};

#progma pack()/*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct C)值是8。

修改对齐值为1：

#progma pack(1)/*指定按1字节对齐*/

struct D{

char b;

int a;

short c;

};

#progma pack()/*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

sizeof(struct D)值为7。

对于char型数据，其自身对齐值为1，对于short型为2，对于int,float,double 类型，其自身对齐值为4，单位字节。

这里面有四个概念值：

1)数据类型自身的对齐值：就是上面交代的基本数据类型的自身对齐值。

2)指定对齐值：#pragma pack(value)时的指定对齐值value。

3)结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

4)数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。

有了这些值，我们就可以很方便的来讨论具体数据结构的成员和其自身的对齐方式。有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值，最重要。有效对齐N，就是表示“对齐在N上”，也就是说该数据的"存放起始地址%N=0".而数据结构中的数据变量都是按定义的先后顺序来排放的。第一个数据变量的起始地址就是数据结构的起始地址。结构体的成员变量要对齐排放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(就是结构体成员变量占用总长度需要是对结构体有效对齐值的整数倍，结合下面例子理解)。这样就不难理解上面的几个例子的值了。

例子分析：

分析例子B；

struct B{

char b;

int a;

short c;

};

假设B从地址空间0x0000开始排放。该例子中没有定义指定对齐值，在笔者环境下，该值默认为4。第一个成员变量b的自身对齐值是1，比指定或者默认指定对齐值4小，所以其有效对齐值为1，所以其存放地址0x0000符合0x0000% 1=0.第二个成员变量a，其自身对齐值为4，所以有效对齐值也为4，所以只能存放在起始地址为0x0004到0x0007这四个连续的字节空间中，复核0x0004% 4=0,且紧靠第一个变量。第三个变量c,自身对齐值为2，所以有效对齐值也是2，可以存放在0x0008到0x0009这两个字节空间中，符合0x0008%2=0。所以从0x0000到0x0009存放的都是B内容。再看数据结构B的自身对齐值为其变量中最大对齐值(这里是b）所以就是4，所以结构体的有效对齐值也是4。根据结构体圆整的要求，0x0009到0x0000=10字节，（10＋2）％4＝0。所以0x 0000A到0x000B也为结构体B所占用。故B从0x0000到0x000B共有12个字节,sizeof(struct B)=12;

同理,分析上面例子C：

#pragma pack(2)/*指定按2字节对齐*/

struct C{

char b;

int a;

short c;

};

#pragma pack()/*取消指定对齐，恢复缺省对齐*/

第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，所以，其有效对齐值为1，假设C从0x0000开始，那么b存放在0x0000，符合0x0000%1=0;第二个变量，自身对齐值为4，指定对齐值为2，所以有效对齐值为2，所以顺序存放在0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，符合0x0002%2=0。第三个变量c的自身对齐值为2，所以有效对齐值为2，顺序存放

在0x0006、0x0007中，符合0x0006%2=0。所以从0x0000到0x00007共八字节存放的是C的变量。又C的自身对齐值为4，所以C的有效对齐值为2。又8%2=0,C只占用0x0000到0x0007的八个字节。所以sizeof(struct C)=8.

学习VC＋＋时经常会遇到链接错误LNK2001，该错误非常讨厌，因为对于编程者来说，最好改的错误莫过于编译错误，而一般说来发生连接错误时，编译都已通过。产生连接错误的原因非常多，尤其LNK2001错误，常常使人不明其所以然。如果不深入地学习和理解VC＋＋，要想改正连接错误LNK2001非常困难。

初学者在学习VC＋＋的过程中，遇到的LNK2001错误的错误消息主要为：

unresolved external symbol“symbol”（不确定的外部“符号”）。

如果连接程序不能在所有的库和目标文件内找到所引用的函数、变量或标签，将产生此错误消息。一般来说，发生错误的原因有两个：一是所引用的函数、变量不存在、拼写不正确或者使用错误；其次可能使用了不同版本的连接库。

以下是可能产生LNK2001错误的原因：

一．由于编码错误导致的LNK2001。

1．不相匹配的程序代码或模块定义（.DEF）文件能导致LNK2001。例如,如果在C＋＋源文件内声明了一变量“var1”，却试图在另一文件内以变量“VAR1”访问该变量,将发生该错误。

2．如果使用的内联函数是在.CPP文件内定义的，而不是在头文件内定义将导致LNK2001错误。

3．调用函数时如果所用的参数类型同函数声明时的类型不符将会产生LNK2001。

4．试图从基类的构造函数或析构函数中调用虚拟函数时将会导致LNK2001。

5．要注意函数和变量的可公用性，只有全局变量、函数是可公用的。静态函数和静态变量具有相同的使用范围。当试图从文件外部访问任何没有在该文件内声明的静态变量时将导致编译错误或LNK2001。函数内声明的变量（局部变量）只能在该函数的范围内使用。

C＋＋的全局常量只有静态连接性能。这不同于C，如果试图在C＋＋的多个文件内使用全局变量也会产生LNK2001错误。一种解决的方法是需要时在头文件中加入该常量的初始化代码，并在.CPP文件中包含该头文件；另一种方法是使用时给该变量赋以常数。

二．由于编译和链接的设置而造成的LNK2001

1．如果编译时使用的是/NOD（/NODEFAULTLIB）选项，程序所需要的运行库和MFC库在连接时由编译器写入目标文件模块，但除非在文件中明确包含这些库名，否则这些库不会被链接进工程文件。在这种情况下使用/NOD将导致错误LNK2001。

2．如果没有为wWinMainCRTStartup设定程序入口，在使用Unicode和MFC时将得到“unresolved external on_WinMain@16”的LNK2001错误信息。

3．使用/MD选项编译时,既然所有的运行库都被保留在动态链接库之内，源文件中对“func”的引用，在目标文件里即对“__imp__func”的引用。

如果试图使用静态库LIBC.LIB或LIBCMT.LIB进行连接，将在__imp__func上发

生LNK2001；如果不使用/MD选项编译，在使用MSVCxx.LIB连接时也会发生LNK2001。

4．使用/ML选项编译时，如用LIBCMT.LIB链接会在_errno上发生LNK2001。

5．当编译调试版的应用程序时，如果采用发行版模态库进行连接也会产生LNK2001；同样，使用调试版模态库连接发行版应用程序时也会产生相同的问题。

6．不同版本的库和编译器的混合使用也能产生问题，因为新版的库里可能包含早先的版本没有的符号和说明。

7．在不同的模块使用内联和非内联的编译选项能够导致LNK2001。如果创建C＋＋库时打开了函数内联（/Ob1或/Ob2），但是在描述该函数的相应头文件里却关闭了函数内联（没有inline关键字），这时将得到该错误信息。为避免该问题的发生，应该在相应的头文件中用inline关键字标志内联函数。

8．不正确的/SUBSYSTEM或/ENTRY设置也能导致LNK2001。

其实，产生LNK2001的原因还有很多，以上的原因只是一部分而已，对初学者来说这些就够理解一阵子了。但是，分析错误原因的目的是为了避免错误的发生。LNK2001错误虽然比较困难，但是只要注意到了上述问题，还是能够避免和予以解决的。