失落的C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體封裝藝術(shù)
Eric S. Raymond
目錄
1. 誰(shuí)該閱讀這篇文章
2. 我為什么寫這篇文章
3.對(duì)齊要求
4.填充
5.結(jié)構(gòu)體對(duì)齊及填充
6.結(jié)構(gòu)體重排序
7.難以處理的標(biāo)量的情況
8.可讀性和緩存局部性
9.其他封裝的技術(shù)
10.工具
11.證明及例外
12.版本履歷
1. 誰(shuí)該閱讀這篇文章
本文是關(guān)于削減C語(yǔ)言程序內(nèi)存占用空間的一項(xiàng)技術(shù)——為了減小內(nèi)存大小而手工重新封裝C結(jié)構(gòu)體聲明。你需要C語(yǔ)言的基本知識(shí)來(lái)讀懂本文。
如果你要為內(nèi)存有限制的嵌入式系統(tǒng)、或者操作系統(tǒng)內(nèi)核寫代碼，那么你需要懂這項(xiàng)技術(shù)。如果你在處理極大的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)集，以至于你的程序常常達(dá)到內(nèi)存的界限時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)是有幫助的。在任何你真的真的需要關(guān)注將高速緩存行未命中降到最低的應(yīng)用程序里，懂得這項(xiàng)技術(shù)是很好的。
最后，理解該技術(shù)是一個(gè)通往其他深?yuàn)W的C語(yǔ)言話題的入口。直到你掌握了它，你才成為一個(gè)高端的C程序員。直到你可以自己寫出這篇文檔并且可以理智地評(píng)論它，你才成為一位C語(yǔ)言大師。
2. 我為什么寫這篇文章
本文之所以存在，是因?yàn)樵?013年底，我發(fā)現(xiàn)我自己在大量使用一項(xiàng)C語(yǔ)言的優(yōu)化技術(shù)，我早在二十多年前就已經(jīng)學(xué)會(huì)了該技術(shù)，不過(guò)在那之后并沒(méi)怎么使用過(guò)。
我需要減小一個(gè)程序的內(nèi)存占用空間，它用了幾千——有時(shí)是幾十萬(wàn)個(gè)——C結(jié)構(gòu)體的實(shí)例。這個(gè)程序是cvs-fast-export，而問(wèn)題在于處理巨大的代碼庫(kù)時(shí)，它曾因內(nèi)存耗盡的錯(cuò)誤而瀕臨崩潰。
在這類情況下，有好些辦法能極大地減少內(nèi)存使用的，比如小心地重新安排結(jié)構(gòu)體成員的順序之類的。這可以獲得巨大的收益——在我的事例中，我能夠減掉大約40%的工作區(qū)大小，使得程序能夠在不崩潰的情況下處理大得多的代碼庫(kù)。
當(dāng)我解決這個(gè)問(wèn)題，并且回想我所做的工作時(shí)，我開(kāi)始發(fā)現(xiàn)，我在用的這個(gè)技術(shù)現(xiàn)今應(yīng)被忘了大半了。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查確認(rèn)，C程序員好像已經(jīng)不再談?wù)撛摷夹g(shù)了，至少在搜索引擎可以看到的地方不談?wù)摿恕Ｓ袔讉€(gè)維基百科條目觸及了這個(gè)話題，但是我發(fā)現(xiàn)沒(méi)人能全面涵蓋。
實(shí)際上這個(gè)現(xiàn)象也是有合理的理由的。計(jì)算機(jī)科學(xué)課程（應(yīng)當(dāng)）引導(dǎo)人們避開(kāi)細(xì)節(jié)的優(yōu)化而去尋找更好的算法。機(jī)器資源價(jià)格的暴跌已經(jīng)使得壓榨內(nèi)存用量變 得不那么必要了。而且，想當(dāng)年，駭客們?cè)?jīng)學(xué)習(xí)如何使用該技術(shù)，使得他們?cè)谀吧挠布軜?gòu)上撞墻了——現(xiàn)在已經(jīng)不太常見(jiàn)的經(jīng)歷。
但是這項(xiàng)技術(shù)仍然在重要的場(chǎng)合有價(jià)值， 并且只要內(nèi)存有限，就能永存。本文目的就是讓C程序員免于重新找尋這項(xiàng)技術(shù)，而讓他們可以集中精力在更重要的事情上。
3. 對(duì)齊要求（Alignment Requirement）
要明白的第一件事是，在現(xiàn)代處理器上，你的C編譯器在內(nèi)存里對(duì)基本的C數(shù)據(jù)類型的存放方式是受約束的，為的是內(nèi)存訪問(wèn)更快。
在x86或者ARM處理器上，基本的C數(shù)據(jù)類型的儲(chǔ)存一般并不是起始于內(nèi)存中的任意字節(jié)地址。而是，每種類型，除了字符型以外，都有對(duì)齊要求；字符 可以起始于任何字節(jié)地址，但是2字節(jié)的短整型必須起始于一個(gè)偶數(shù)地址，4字節(jié)整型或者浮點(diǎn)型必須起始于被4整除的地址，以及8字節(jié)長(zhǎng)整型或者雙精度浮點(diǎn)型 必須起始于被8整除的地址。帶符號(hào)與不帶符號(hào)之間沒(méi)有差別。
這個(gè)的行話叫：在x86和ARM上，基本的C語(yǔ)言類型是自對(duì)齊（self-aligned）的。指針，無(wú)論是32位（4字節(jié)）亦或是64位（8字節(jié)）也都是自對(duì)齊的。
自對(duì)齊使得訪問(wèn)更快，因?yàn)樗沟靡粭l指令就完成對(duì)類型化數(shù)據(jù)的取和存操作。沒(méi)有對(duì)齊的約束，反過(guò)來(lái)，代碼最終可能會(huì)不得不跨越機(jī)器字的邊界做兩次或更多次訪問(wèn)。字符是特殊的情況；無(wú)論在一個(gè)單機(jī)器字中的何處，存取的花費(fèi)都是一樣的。那就是為什么字符型沒(méi)有被建議對(duì)齊。
我說(shuō)“在現(xiàn)代的處理器上”是因?yàn)?，在一些舊的處理器上，強(qiáng)制讓你的C程序違反對(duì)齊約束（比方說(shuō)，將一個(gè)奇數(shù)的地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)整型指針，并試圖使用 它）不僅會(huì)使你的代碼慢下來(lái)，還會(huì)造成非法指令的錯(cuò)誤。比如在Sun的SPARC芯片上就曾經(jīng)這么干。實(shí)際上，只要夠決心并在處理器上設(shè)定正確（e18） 的硬件標(biāo)志位，你仍然可以在x86上觸發(fā)此錯(cuò)誤。
此外，自對(duì)齊不是唯一的可能的規(guī)則。歷史上，一些處理器（特別是那些缺少移位暫存器的）有更強(qiáng)的限制性規(guī)則。如果你做嵌入式系統(tǒng)，你也許會(huì)在跌倒在這些叢林陷阱中。注意，這是有可能的。
有時(shí)你可以通過(guò)編譯指示，強(qiáng)制讓你的編譯器不使用處理器正常的對(duì)齊規(guī)則，通常是#pragma pack。不要隨意使用，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致產(chǎn)生開(kāi)銷更大、更慢的代碼。使用我在這里描述的技術(shù)，通常你可以節(jié)省同樣或者幾乎同樣多的內(nèi)存。
#pragma pack的唯一好處是，如果你不得不將你的C語(yǔ)言數(shù)據(jù)分布精確匹配到某些位級(jí)別的硬件或協(xié)議的需求，比如一個(gè)內(nèi)存映射的硬件端口，要求違反正常的對(duì)齊才能奏效。如果你遇到那種情況，并且你還未理解我在這里寫的這一切，你會(huì)有大麻煩的，我只能祝你好運(yùn)了。
#p#
4. 填充（Padding）
現(xiàn)在我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單變量在內(nèi)存里的分布的例子?？紤]在C模塊的最頂上的以下一系列的變量聲明：
- char *p;
- char c;
- int x;
如果你不知道任何關(guān)于數(shù)據(jù)對(duì)齊的事情，你可能會(huì)假設(shè)這3個(gè)變量在內(nèi)存里會(huì)占據(jù)一個(gè)連續(xù)字節(jié)空間。那也就是說(shuō)，在一個(gè)32位機(jī)器上，指針的4字節(jié)，之后緊接著1字節(jié)的字符型，且之后緊接著4字節(jié)的整型。在64位機(jī)器只在指針是8字節(jié)上會(huì)有所不同。
這里是實(shí)際發(fā)生的（在x86或ARM或其他任何有自對(duì)齊的處理器類型）。p的存儲(chǔ)地址始于一個(gè)自對(duì)齊的4字節(jié)或者8字節(jié)邊界，取決于機(jī)器的字長(zhǎng)。這是指針對(duì)齊——可能是最嚴(yán)格的情況。
緊跟著的是c的存儲(chǔ)地址。但是x的4字節(jié)對(duì)齊要求，在內(nèi)存分布上造成了一個(gè)間隙；變成了恰似第四個(gè)變量插在其中，像這樣：
- char *p; /* 4 or 8 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- char pad[3]; /* 3 bytes */
- int x; /* 4 bytes */
pad[3]字符數(shù)組表示了一個(gè)事實(shí)，結(jié)構(gòu)體中有3字節(jié)的無(wú)用的空間。 老派的術(shù)語(yǔ)稱之為“slop（水坑）”。
比較如果x是2字節(jié)的短整型會(huì)發(fā)生什么：
- char *p;
- char c;
- short x;
在那個(gè)情況下，實(shí)際的內(nèi)存分布會(huì)變成這樣：
- char *p; /* 4 or 8 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- char pad[1]; /* 1 byte */
- short x; /* 2 bytes */
另一方面，如果x是一個(gè)在64位機(jī)上的長(zhǎng)整型
- char *p;
- char c;
- long x;
最終我們會(huì)得到：
- char *p; /* 8 bytes */
- char c; /* 1 byte
- char pad[7]; /* 7 bytes */
- long x; /* 8 bytes */
如果你已仔細(xì)看到這里，現(xiàn)在你可能會(huì)想到越短的變量聲明先聲明的情況：
- char c;
- char *p;
- int x;
如果實(shí)際的內(nèi)存分布寫成這樣：
- char c;
- char pad1[M];
- char *p;
- char pad2[N];
- int x;
我們可以說(shuō)出M和N的值嗎？
首先，在這個(gè)例子中，N是零。x的地址，緊接在p之后，是保證指針對(duì)齊的，肯定比整型對(duì)齊更嚴(yán)格的。
M的值不太能預(yù)測(cè)。如果編譯器恰巧把c映射到機(jī)器字的最后一個(gè)字節(jié)，下一個(gè)字節(jié)（p的第一部分）會(huì)成為下一個(gè)機(jī)器字的第一個(gè)字節(jié)，并且正常地指針對(duì)齊。M為零。
c更可能會(huì)被映射到機(jī)器字的第一個(gè)字節(jié)。在那個(gè)情況下，M會(huì)是以保證p指針對(duì)齊而填補(bǔ)的數(shù)——在32位機(jī)器上是3，64位機(jī)器上是7。
如果你想讓那些變量占用更少的空間，你可以通過(guò)交換原序列中的x和c來(lái)達(dá)到效果。
- char *p; /* 8 bytes */
- long x; /* 8 bytes */
- char c; /* 1 byte
通常，對(duì)于C程序里少數(shù)的簡(jiǎn)單變量，你可以通過(guò)調(diào)整聲明順序來(lái)壓縮掉極少幾個(gè)字節(jié)數(shù)，不會(huì)有顯著的節(jié)約。但當(dāng)用于非標(biāo)量變量（nonscalar variables），尤其是結(jié)構(gòu)體時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)變得更有趣。
在我們講到非標(biāo)量變量之前，讓我們講一下標(biāo)量數(shù)組。在一個(gè)有自對(duì)齊類型的平臺(tái)上，字符、短整型、整型、長(zhǎng)整型、指針數(shù)組沒(méi)有內(nèi)部填充。每個(gè)成員會(huì)自動(dòng)自對(duì)齊到上一個(gè)之后（譯者注：原文 self-aligned at the end of the next one 似有誤）。
在下一章，我們會(huì)看到對(duì)于結(jié)構(gòu)體數(shù)組，一樣的規(guī)則并不一定正確。
5. 結(jié)構(gòu)體的對(duì)齊和填充
總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例會(huì)按照它最寬的標(biāo)量成員對(duì)齊。編譯器這樣做，把它作為最簡(jiǎn)單的方式來(lái)保證所有成員是自對(duì)齊，為了快速訪問(wèn)的目的。
而且，在C語(yǔ)言里，結(jié)構(gòu)體的地址與它第一個(gè)成員的地址是相同的——沒(méi)有前置填充。注意：在C++里，看上去像結(jié)構(gòu)體的類可能不遵守這個(gè)規(guī)則！（遵不遵守依賴于基類和虛擬內(nèi)存函數(shù)如何實(shí)現(xiàn)，而且因編譯器而不同。）
（當(dāng)你不能確定此類事情時(shí)，ANSI C提供了一個(gè)offsetof（）宏，能夠用來(lái)表示出結(jié)構(gòu)體成員的偏移量。）
考慮這個(gè)結(jié)構(gòu)體：
- struct foo1 {
- char *p;
- char c;
- long x;
- };
#p#
假設(shè)一臺(tái)64位的機(jī)器，任何struct foo1的實(shí)例會(huì)按8字節(jié)對(duì)齊。其中的任何一個(gè)的內(nèi)存分布看上去無(wú)疑應(yīng)該像這樣：
- struct foo1 {
- char *p; /* 8 bytes */
- char c; /* 1 byte
- char pad[7]; /* 7 bytes */
- long x; /* 8 bytes */
- };
的分布就恰好就像這些類型的變量是單獨(dú)聲明的。但是如果我們把c放在第一個(gè)，這就不是了。
- struct foo2 {
- char c; /* 1 byte */
- char pad[7]; /* 7 bytes */
- char *p; /* 8 bytes */
- long x; /* 8 bytes */
- };
如果成員是單獨(dú)的變量，c可以起始于任何字節(jié)邊界，并且pad的大小會(huì)不同。但因?yàn)閟truct foo2有按其最寬成員進(jìn)行的指針對(duì)齊，那就不可能了?，F(xiàn)在c必須于指針對(duì)齊，之后7個(gè)字節(jié)的填充就被鎖定了。
現(xiàn)在讓我們來(lái)說(shuō)說(shuō)關(guān)于在結(jié)構(gòu)體成員的尾隨填充（trailing padding）。要解釋這個(gè)，我需要介紹一個(gè)基本概念，我稱之為結(jié)構(gòu)體的跨步地址（stride address）。它是跟隨結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)后的第一個(gè)地址，與結(jié)構(gòu)體擁有同樣對(duì)齊方式。
結(jié)構(gòu)體尾隨填充的通常規(guī)則是這樣的：編譯器的行為就如把結(jié)構(gòu)體尾隨填充到它的跨步地址。這條規(guī)則決定了sizeof（）的返回值。
考慮在64位的x86或ARM上的這個(gè)例子：
- struct foo3 {
- char *p; /* 8 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- };
- struct foo3 singleton;
- struct foo3 quad[4];
你可能會(huì)認(rèn)為，sizeof（struct foo3）應(yīng)該是9，但實(shí)際上是16?？绮降刂肥牵?amp;p）[2]的地址。如此，在quad數(shù)組中，每個(gè)成員有尾隨填充的7字節(jié)，因?yàn)槊總€(gè)跟隨的結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員都要自對(duì)齊到8字節(jié)的邊界上。內(nèi)存分布就如結(jié)構(gòu)體像這樣聲明：
- struct foo3 {
- char *p; /* 8 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- char pad[7];
- };
作為對(duì)照，考慮下面的例子：
- struct foo4 {
- short s; /* 2 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- };
因?yàn)?span style="color: #0000ff;">s只需對(duì)齊到2字節(jié)， 跨步地址就只有c后面的一個(gè)字節(jié)，struct foo4作為一個(gè)整體，只需要一個(gè)字節(jié)的尾隨填充。它會(huì)像這樣分布
- struct foo4 {
- short s; /* 2 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- char pad[1];
- };
并且sizeof（struct foo4）會(huì)返回4。
現(xiàn)在讓我們考慮位域（bitfield）。它們是你能夠聲明比字符寬度還小的結(jié)構(gòu)體域，小到1位，像這樣：
- struct foo5 {
- short s;
- char c;
- int flip:1;
- int nybble:4;
- int septet:7;
- };
關(guān)于位域需要知道的事情是，它們以字或字節(jié)級(jí)別的掩碼和移位指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。從編譯器的觀點(diǎn)來(lái)看，struct foo5的位域看上去像2字節(jié)，16位的字符數(shù)組里只有12位被使用。接著是填充，使得這個(gè)結(jié)構(gòu)體的字節(jié)長(zhǎng)度成為sizeof（short）的倍數(shù)即最長(zhǎng)成員的大小。
- struct foo5 {
- short s; /* 2 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- int flip:1; /* total 1 bit */
- int nybble:4; /* total 5 bits */
- int septet:7; /* total 12 bits */
- int pad1:4; /* total 16 bits = 2 bytes */
- char pad2; /* 1 byte */
- };
這里是最后一個(gè)重要的細(xì)節(jié)：如果你的結(jié)構(gòu)體含有結(jié)構(gòu)體的成員，里面的結(jié)構(gòu)體也需要按最長(zhǎng)的標(biāo)量對(duì)齊。假設(shè)如果你寫成這樣：
- struct foo6 {
- char c;
- struct foo5 {
- char *p;
- short x;
- } inner;
- };
這個(gè)結(jié)構(gòu)體給了我們一個(gè)啟示，重新封裝結(jié)構(gòu)體可能節(jié)省空間。24個(gè)字節(jié)中，有13個(gè)字節(jié)是用作填充的。超過(guò)50%的無(wú)用空間！
#p#
6. 結(jié)構(gòu)體重排序（reordering）
現(xiàn)在你知道如何以及為何編譯器要插入填充，在你的結(jié)構(gòu)體之中或者之后，我們要考察你可以做些什么來(lái)擠掉這些“水坑”。這就是結(jié)構(gòu)體封裝的藝術(shù)。
第一件需要注意的事情是，“水坑”僅發(fā)生于兩個(gè)地方。一個(gè)是大數(shù)據(jù)類型（有更嚴(yán)格的對(duì)齊要求）的存儲(chǔ)區(qū)域緊跟在一個(gè)較小的數(shù)據(jù)類型的存儲(chǔ)區(qū)域之后。另一個(gè)是結(jié)構(gòu)體自然結(jié)束于它的跨步地址之前，需要填充，以使下一個(gè)實(shí)例可以正確對(duì)齊。
消除“水坑”的最簡(jiǎn)單的方法是按對(duì)齊的降序來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)體成員重排序。就是說(shuō)：所有指針對(duì)齊的子域在前面，因?yàn)樵?4位的機(jī)器上，它們會(huì)有8字節(jié)。接下來(lái)是4字節(jié)的整型；然后是2字節(jié)的短整型；然后是字符域。
因此，舉個(gè)例子，考慮這個(gè)簡(jiǎn)單的鏈表結(jié)構(gòu)體：
- struct foo7 {
- char c;
- struct foo7 *p;
- short x;
- };
顯現(xiàn)出隱含的“水坑”，這樣：
- struct foo7 {
- char c; /* 1 byte */
- char pad1[7]; /* 7 bytes */
- struct foo7 *p; /* 8 bytes */
- short x; /* 2 bytes */
- char pad2[6]; /* 6 bytes */
- };
24個(gè)字節(jié)。如果我們按大小重新排序，我們得到：
- struct foo8 {
- struct foo8 *p;
- short x;
- char c;
- };
考慮到自對(duì)齊，我們看到?jīng)]有數(shù)據(jù)域需要填充。這是因?yàn)橐粋€(gè)較長(zhǎng)的、有較嚴(yán)格對(duì)齊的域的跨步地址，對(duì)于較短的、較不嚴(yán)格對(duì)齊的域來(lái)說(shuō)，總是合法對(duì)齊的起始地址。所有重封裝的結(jié)構(gòu)體實(shí)際上需要的只是尾隨填充：
- struct foo8 {
- struct foo8 *p; /* 8 bytes */
- short x; /* 2 bytes */
- char c; /* 1 byte */
- char pad[5]; /* 5 bytes */
- };
我們重封裝的轉(zhuǎn)變把大小降到了16字節(jié)。這可能看上去沒(méi)什么，但是假設(shè)你有一個(gè)200k的這樣的鏈表呢？節(jié)省的空間累積起來(lái)就不小了。
注意重排序并不能保證節(jié)省空間。把這個(gè)技巧運(yùn)用到早先的例子，struct foo6，我們得到：
- struct foo9 {
- struct foo9_inner {
- char *p; /* 8 bytes */
- int x; /* 4 bytes */
- } inner;
- char c; /* 1 byte*/
- };
把填充寫出來(lái)，就是這樣
- struct foo9 {
- struct foo9_inner {
- char *p; /* 8 bytes */
- int x; /* 4 bytes */
- char pad[4]; /* 4 bytes */
- } inner;
- char c; /* 1 byte*/
- char pad[7]; /* 7 bytes */
- };
它仍然是24字節(jié)，因?yàn)?span style="color: #0000ff;">c不能轉(zhuǎn)換到內(nèi)部結(jié)構(gòu)體成員的尾隨填充。為了獲得節(jié)省空間的好處，你需要重新設(shè)計(jì)你的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
自從發(fā)布了這篇指南的第一版，我就被問(wèn)到了，如果通過(guò)重排序來(lái)得到最少的“水坑”是如此簡(jiǎn)單，為什么C編譯器不自動(dòng)完成呢？答案是：C語(yǔ)言最初是被 設(shè)計(jì)用來(lái)寫操作系統(tǒng)和其他接近硬件的語(yǔ)言。自動(dòng)重排序會(huì)妨礙到系統(tǒng)程序員規(guī)劃結(jié)構(gòu)體，精確匹配字節(jié)和內(nèi)存映射設(shè)備控制塊的位級(jí)分布的能力。
7. 難以處理的標(biāo)量的情況
使用枚舉類型而不是#defines是個(gè)好主意，因?yàn)榉?hào)調(diào)試器可以用那些符號(hào)并且可以顯示它們，而不是未處理的整數(shù)。但是，盡管枚舉要保證兼容整型類型，C標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確規(guī)定哪些潛在的整型類型會(huì)被使用。
注意，當(dāng)重新封裝你的結(jié)構(gòu)體時(shí)，雖然枚舉類型變量通常是整型，但它依賴于編譯器；它們可能是短整型、長(zhǎng)整型、甚至是默認(rèn)的字符型。你的編譯器可能有一個(gè)編譯指示或者命令行選項(xiàng)來(lái)強(qiáng)制規(guī)定大小。
long double類型也是個(gè)相似的麻煩點(diǎn)。有的C平臺(tái)以80位實(shí)現(xiàn)，有的是128， 還有的80位的平臺(tái)填充到96或128位。
在這兩種情況下，最好用sizeof（）來(lái)檢查存儲(chǔ)大小。
最后，在x86下，Linux的雙精度類型有時(shí)是一個(gè)自對(duì)齊規(guī)則的特例；一個(gè)8字節(jié)的雙精度數(shù)據(jù)在一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)可以只要求4字節(jié)對(duì)齊，雖然單獨(dú)的雙精度變量要求8字節(jié)的自對(duì)齊。這依賴于編譯器及其選項(xiàng)。
#p#
8. 可讀性和緩存局部性
盡管按大小重排序是消除“水坑”的最簡(jiǎn)單的方式，但它不是必定正確的。還有兩個(gè)問(wèn)題：可讀性和緩存局部性。
程序不只是與計(jì)算機(jī)的交流，還是與其他人的交流。代碼可讀性是重要的，即便（或者尤其是?。┙涣鞯牧硪环讲恢皇俏磥?lái)的你。
笨拙的、機(jī)械的結(jié)構(gòu)體重排序會(huì)損害可讀性?？赡艿脑?，最好重排域，使得語(yǔ)義相關(guān)的數(shù)據(jù)段緊緊相連，能形成連貫的組群。理想情況下，你的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)應(yīng)該傳達(dá)到你的程序。
當(dāng)你的程序經(jīng)常訪問(wèn)一個(gè)結(jié)構(gòu)體，或者結(jié)構(gòu)體的一部分，如果訪問(wèn)常命中緩存行（當(dāng)被告知去讀取任何一個(gè)塊里單個(gè)地址時(shí)，你的處理器讀取的整一塊內(nèi)存）有助于提高性能。在64位x86機(jī)上一條緩存行為64字節(jié)，始于一個(gè)自對(duì)齊的地址；在其他平臺(tái)上經(jīng)常是32字節(jié)。
你應(yīng)該做的事情是保持可讀性——把相關(guān)的和同時(shí)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)組合到毗鄰的區(qū)域——這也會(huì)提高緩存行的局部性。這都是用代碼的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式的意識(shí)，聰明地重排序的原因。
如果你的代碼有多線程并發(fā)訪問(wèn)一個(gè)結(jié)構(gòu)體，就會(huì)有第三個(gè)問(wèn)題：緩存行反彈（cache line bouncing）。為了減少代價(jià)高昂的總線通信，你應(yīng)該組織你的數(shù)據(jù)，使得在緊湊的循環(huán)中，從一條緩存行中讀取，而在另一條緩存行中寫。
是的，這與之前關(guān)于把相關(guān)數(shù)據(jù)組成同樣大小的緩存行塊的指南有些矛盾。多線程是困難的。緩存行反彈以及其它的多線程優(yōu)化問(wèn)題是十分高級(jí)的話題，需要整篇關(guān)于它們的教程。這里我能做的最好的就就是讓你意識(shí)到這些問(wèn)題的存在。
9. 其它封裝技術(shù)
當(dāng)重排序與其他技術(shù)結(jié)合讓你的結(jié)構(gòu)體瘦身時(shí)效果最好。如果你在一個(gè)結(jié)構(gòu)體里有若干布爾型標(biāo)志，舉個(gè)例子，可以考慮將它們減小到1位的位域，并且將它們封裝到結(jié)構(gòu)體里的一個(gè)本會(huì)成為“水坑”的地方。
為此，你會(huì)碰到些許訪問(wèn)時(shí)間上的不利——但是如果它把工作區(qū)擠壓得足夠小，這些不利會(huì)被避免緩存不命中的得益所掩蓋。
更普遍的，尋找縮小數(shù)據(jù)域大小的方式。比如在cvs-fast-export里，我用的一項(xiàng)壓縮技術(shù)里用到了在1982年之前RCS和CVS代碼庫(kù)還不存在的知識(shí)。我把64位的Unix time_t（1970年作為起始0日期）減少到32位的、從1982-01-01T00:00:00開(kāi)始的時(shí)間偏移量；這會(huì)覆蓋2118年前的日期。（注意：如果你要玩這樣的花招，每當(dāng)你要設(shè)定字段，你都要做邊界檢查以防討厭的錯(cuò)誤！）
每一個(gè)這樣被縮小的域不僅減少了你結(jié)構(gòu)體顯在的大小，還會(huì)消除“水坑”，且/或創(chuàng)建額外的機(jī)會(huì)來(lái)得到域重排序的好處。這些效果的良性疊加不難得到。
最有風(fēng)險(xiǎn)的封裝形式是使用聯(lián)合體。如果你知道你結(jié)構(gòu)體中特定的域永遠(yuǎn)不會(huì)被用于與其他特定域的組合，考慮使用聯(lián)合體使得它們共享存儲(chǔ)空間。但你要額 外小心，并且用回歸測(cè)試來(lái)驗(yàn)證你的工作，因?yàn)槿绻愕纳芷诜治黾词褂休p微差錯(cuò)，你會(huì)得到各種程序漏洞，從程序崩潰到（更糟糕的）不易發(fā)覺(jué)的數(shù)據(jù)損壞。
10. 工具
C語(yǔ)言編譯器有個(gè)-Wpadded選項(xiàng)，能使它產(chǎn)生關(guān)于對(duì)齊空洞和填充的消息。
雖然我自己還沒(méi)用過(guò)，但是一些反饋者稱贊了一個(gè)叫pahole的程序。這個(gè)工具與編譯器合作，產(chǎn)生關(guān)于你的結(jié)構(gòu)體的報(bào)告，記述了填充、對(duì)齊及緩存行邊界。
11. 證明及例外
你可以下載一個(gè)小程序的代碼，此代碼用來(lái)展示了上述標(biāo)量和結(jié)構(gòu)體大小的論斷。就是packtest.c。
如果你瀏覽足夠多的編譯器、選項(xiàng)和不常見(jiàn)的硬件的奇怪組合，你會(huì)發(fā)現(xiàn)針對(duì)我講述的一些規(guī)則的特例。如果你回到越舊的處理器設(shè)計(jì)，就會(huì)越常見(jiàn)。
比知道這些規(guī)則更進(jìn)一步，是知道如何以及何時(shí)這些規(guī)則會(huì)被打破。在我學(xué)習(xí)它們的那些年（1980年代早期），我們把不懂這些的人稱為“世界都是VAX綜合征”的受害者。記住世界上不只有PC。
12. 版本履歷
1.5 @ 2014-01-03
解釋了為什么不自動(dòng)做結(jié)構(gòu)體成員的重排序。
1.4 @ 2014-01-06
關(guān)于x86 Linux下雙精度的注意。
1.3 @ 2014-01-03
關(guān)于難以處理的標(biāo)量實(shí)例、可讀性和緩存局部性及工具的段落。
1.2 @ 2014-01-02
修正了一個(gè)錯(cuò)誤的地址計(jì)算。
1.1 @ 2014-01-01
解釋為什么對(duì)齊的訪問(wèn)會(huì)更快。提及offsetof。各種小修復(fù)，包括packtest.c的下載鏈接。
1.0 @ 2014-01-01
初版
