内存对齐

内存对齐

一、背景

首先我想对“对齐”这个名词做一个自己的理解，我认为对齐不是从静态意义上来说的，而是从动态意义上来说的，是相对于CPU读取过程来说的。所谓对齐就是CPU读取某个变量时，使CPU读取的次数最少的内存排列方式。比如就拿32位（4字节）系统来说，long类型的数据CPU读取一次就能完成读取的，说明此数据是对齐的，如果读取两次才读取完成，说明是未对齐的；double数据类型的数据CPU读取两次就能完成读取的，说明是对齐的，如果读取三次或三次以上的为未对齐。

内存对齐你可能都没有听说过，这很正常，因为他对于使用高级语言(c、c++、java、object-c、c#等)编程的人来说直接接触到的并不多。内存对齐的工作会由你所使用的编译器来做，所以这个工作对于大多数人来说十分的陌生，其实它时时刻刻都在我们身边。你点击开发工具的编译按钮时，此时其实你已经在使用它了。

虽然这个工作编译器会帮我们完成，但我们了解它的实现方式还是有必要的，这样我们就能更好的组织我们的数据结构，从而减少内存使用，提高运行效率。

内存对齐产生的原因总结起来就两种：

1、平台原因（移植原因）：不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；有些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。

2、性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要做出两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次便可完成。

下面的例子是从性能上来考虑：

通俗的讲就是CPU读取内存不是连续读取的，而是分成块读取的，块的大小只能是1、2、4、8、16（字节数）。下面举个例子：

0 1 2 3 4 5 6 7：这几个数字代表连续的内存地址，0代表内存开始地址。CPU（假设块大小为4）在读取此内存时是分两次读取的，第一次读取0-3，第二次读取4-7。我们现在有一个int类型的数据放在此处，分两种情况，第一种情况，数据的开始地址为0；第二种情况，数据的开始地址为2。

第一种情况：CPU只需读取一次内存便可得到整数的值。

第二种情况：CPU需要读取两次内存才能得到整数的值，第一次的2-3和第二次的4-5组合成一个整数。

第二种情况会大大降低了CPU的性能。在数据量小的时候，你可能感觉不到，如果数据量十分庞大，你就会感觉出来。这里的这个例子主要是在讲性能问题，对于平台原因并未提及。

二、对齐规则：

每个平台上的编译器都有自己默认的“对齐系数”（也叫对齐模数）。这个系数程序员可以通过编译命令“#pragma pack(n)”改变，其中n的取值必须是以下数字中的一个：1、2、4、8、16

我先做一个自定义变量：

minVarLen = min（pack指定长度，结构体（联合体）当前成员变量数据长度）；

minStructLen = min（pack指定长度，结构体（联合体）最大数据长度）；

规则：

1、数据成员对齐规则：对于结构体（struct）或者联合体（union）中的成员，第一个成员的offset为0；以后每个成员变量的对齐按照minVarLen进行。

2、结构体（联合体）本身对齐规则：在数据成员完成各自对齐的情况下，结构体（联合体）本身也要对齐，对齐将按照minStructLen进行。

3、综合：结合1、2所述，如果pack指定的长度大于或等于结构体（联合体）最大数据成员长度时，pack为无效。

我并不喜欢上面的三条解释，看完后总是很晕（哈哈），相比较而言，我更喜欢下面的解释：

1、数据成员对齐规则：结构体（联合体）的第一个成员的offset为0，以后每个成员变量的offset值必须是minVarLen的倍数。

2、结构体（联合体）本身对齐规则：在1的基础上，结构体（联合体）本身也要实现对齐，结构体（联合体）的内存地址必须是minStructLen的倍数。

3、整体：内存中结构体（联合体）的整体大小为minStructLen整数倍。

 

三、例子：

上面我们讲了内存对齐的背景及规则，下面我们用一个例子来验证我们的理论是否正确：

#pragma pack(4)Struet A{          Char c1，          Double d，          Char c2，          Short s，          Int i}#pragma pack void main（）{          struct A  struA;          int yushu1 = (int)&struA % (min(4, sizeof(double));          int yushu2 = (int)&struA % sizeof(double);          int yushu3 =( (int)&struA.d – (int)&struA.c1)) % (min(4, sizeof(double));          int yushu4=( (int)&struA.c2 – (int)&struA.d)) % (min(4, sizeof(char));int yushu5=( (int)&struA.s – (int)&struA.c2)) % (min(4, sizeof(short));int yushu6=( (int)&struA.i – (int)&struA.s)) % (min(4, sizeof(int));int yushu7 = (int)sizeof(Struet A) % minStructLen;}

 

运算结果为（以下结果为运行多次的结果，并不是一次，只是多次运行的结果都是一样的）：

yushu1 = 0;

yushu2 = 4;

yushu3 = 0;

yushu4 = 0;

yushu5 = 0;

yushu6 = 0;

yushu7 = 0;

结果分析：

yushu1、yushu2：说明规则1是正确的。

yushu3-6：说明规则1是正确的。

Yushu7：说明规则3是正确的，结构体的尺寸为minStructLen整数倍。

这个例子只是为了验证我们的理论是正确的，就不再举其它例子了，如果感兴趣可以自己在工程中试验一些小例子，看看试验结果与理论值是否相符合。