Paměťová reprezentace struktur

🤓 Tato sekce obsahuje doplňující učivo. Pokud je toho na vás moc, můžete ji prozatím přeskočit a vrátit se k ní později.

V této kapitole si popíšeme, jak se překladač rozhoduje o tom, kolik bytů budou v paměti zabírat proměnné struktur, které vytváříme v našich programech.

Když vytvoříme proměnnou struktury v paměti, tak bychom si intuitivně mohli myslet, že překladač jednotlivé členy struktury "vysází" v paměti jeden za druhým. Nicméně není tomu tak vždy. Z důvodu dodržení tzv. zarovnání (alignment) jednotlivých datových typů členů struktury se totiž překladač může rozhodnout mezi tyto členy vložit nějaké byty navíc.

Zarovnání

Každý datový typ v jazyce C má kromě své velikosti (počet bytů, které zabírá v paměti) také tzv. zarovnání. Jedná se o číslo, které říká, na jakých adresách v paměti by ideálně měly být umístěny hodnoty tohoto datového typu. Zarovnání n říká, že daný datový typ může ležet na adresách, které jsou dělitelné číslem n. Takže např. datový typ se zarovnáním 4 může ležet na adresách 4, 8, 12, 200 nebo 512, neměl by však ležet např. na adresách 1, 3 nebo 134, protože ty nejsou dělitelné čtyřkou. Mohli bychom říct, že pro zarovnání 4 jsou adresy 4 nebo 8 zarovnané (aligned), zatímco adresy 3 nebo 134 jsou nezarovnané (unaligned).

Zarovnání existuje z toho důvodu, že některé typy procesorů jsou navrženy tak, že jednoduše nezvládnou načítat hodnoty z adres, které nesplňují zarovnání daného datového typu. Některé jiné procesory to zase sice zvládnou, ale mnohem méně efektivněji, než kdybychom načítali hodnoty ze zarovnaných adres.

Pokud to v našem programu neupravíme, tak primitivní datové typy mají zarovnání stejné, jako je jejich velikost, a struktury mají zarovnání nastavené na nejvyšší zarovnání ze všech datových členů typů dané struktury.

Zde jsou ukázky zarovnání pro několik základních datových typů:

• char: zarovnání 1
• int: zarovnání je stejné velikost (tedy typicky 4)
• float: zarovnání 4
• char*: zarovnání je stejné velikost (tedy typicky 8)

Struktury a zarovnání

Zarovnání jednotlivých datových typů ovlivňuje to, jak překladač rozmístí jednotlivé členy struktur v paměti. Bude se totiž snažit o to, aby každý člen struktury ležel na adrese, která bude zarovnaná vzhledem k datovému typu daného členu. Vezměme si například následující strukturu:

Poznámka: ve všech případech níže budeme předpokládat, že short zabírá 2 byty, int zabírá 4 byty, a ukazatel zabírá 8 bytů.

typedef struct {
    char a;
    int b;
} Str1;

Jelikož char zabírá 1 byte a int zabírá 4 byty, mohli bychom si myslet, že sizeof(Str1) bude 5. Nicméně překladač musí zajistit, že člen b bude ležet na adrese, která bude zarovnaná na 4 byty, protože zarovnání datového typu int je 4. Dejme tomu, že by proměnná typu Str1 ležela třeba na adrese 16, tj. i člen a by ležel na adrese 16. Pokud by překladač umístil člen b na adresu 17, tak by tento člen ležel na nezarovnané adrese¹:

Z tohoto důvodu překladač vloží za a tři byty tzv. výplně (padding). Tyto byty nebudou k ničemu využívány, budou sloužit pouze k tomu, aby byl člen b správně zarovnaný. Struktura tedy bude v paměti uložena takto, její velikost bude 8 bytů a její zarovnání budou 4 byty:

Překladač ovšem nevkládá výplň pouze mezi jednotlivé členy struktur. Někdy musí vložit výplň i na samotný konec struktury. Podívejme se na následující strukturu Str2:

typedef struct {
    int b;
    char a;
} Str2;

Mohlo by se zdát, že zde být výplň být nemusí, protože int může ležet "na začátku" struktury, a char má zarovnání 1, takže může ležet kdekoliv. Co by se ovšem stalo, kdybychom tyto struktury uložili za sebe do paměti v poli?

První struktura v poli by byla zarovnaná správně, ale druhá (případně ty další) už ne! Z toho důvodu musí překladač zajistit, že budou správně zarovnaní nejenom všichni členové struktury, ale i struktura samotná. Zarovnání struktury se rovná nejvyššímu zarovnání ze všech členů struktury, v tomto případě to bude 4. Překladač tak musí zajistit, aby všechny struktury Str2 (i když budou ležet v poli za sebou) ležely na adresách, které budou násobky 4. Z tohoto důvodu zde překladač vloží 3 byty výplně i na konec struktury, aby byly proměnné této struktury správně zarovnané:

Minimalizace velikosti struktury

Obecně bychom se měli snažit velikosti struktur minimalizovat, abychom v našich programech neplýtvali pamětí. Existují různé atributy, kterými můžeme např. překladači říct, aby zarovnání ignoroval, to ovšem nemusí být dobrý nápad, protože poté náš program na určitých procesorech nemusí vůbec fungovat.

Univerzálnějším a bezpečnějším řešením je seřadit členy struktury tak, abychom minimalizovali výplň. Obecná poučka zní řadit členy podle jejich velikosti, od největšího po nejmenší. Porovnejte například následující dvě struktury:

• Neseřazené členy, velikost 24 bytů, 10 bytů výplně:

  typedef struct {
      char a;
      int b;
      char c;
      const char* d;
  } Str3;
  

  

• Seřazené členy, velikost 16 bytů, 2 byty výplně:

  typedef struct {
      const char* a;
      int b;
      char c;
      char d;
  } Str4;
  

  

Kvíz 🤔

Zde je několik ukázek struktur, na kterých si můžete otestovat své znalosti zarovnání a výplně.

• S1

  typedef struct {
      int a;
      const char* b;
  } S1;
  

  Velikost a zarovnání

  Velikost 16 bytů, zarovnání 8 bytů, výplň 4 byty.

  

• S2

  typedef struct {
      char a[4];
      char b;
  } S2;
  

  Velikost a zarovnání

  Velikost 5 bytů, zarovnání 1 byte, výplň 0 bytů. Člen a má sice také 4 byty, jako int, nicméně jelikož je zarovnání datového typu char pouze 1, tak i zarovnání tohoto pole je 1. A jelikož člen b může taktéž ležet na libovolné adrese, tak zde není přidána žádná výplň.

  

• S3

  typedef struct {
      short a;
      char b;
      char c;
      int d;
  } S3;
  

  Velikost a zarovnání

  Velikost 8 bytů, zarovnání 4 byty, výplň 0 bytů.