数据对齐

为什么要数据对齐？

所谓数据对齐是指访问数据的地址要满足一定的条件，能被这个数据的长度所整除。 例如，1字节数据已经是对齐的，2字节的数据的地址要被2整除，4字节的数据地址要 被4整除。

但为什么要数据对齐呢？简单地说，数据对齐是为了读取数据的效率。假如说每一次 读取数据时都是一个字节一个字节读取，那就不需要对齐了，这跟读一个字节没有什 么区别，就是多读几次。但是这样读取数据效率不高。为了提高读取数据的带宽，现 代存储系统都采用许多并行的存储芯片来提高读取效率。以自然字长为4个字节的机器 为例。

memory chip     0       1       2       3offset    0             0       1       2       3  1             4       5       6       7  2             8       9      10      11  N            4N    4N+1    4N+2    4N+3

如上图所示，地址0-3的4字节数据都存储在4个不同的芯片上。CPU的bits 0-7连上芯 片0，bits 8-15连上芯片1，bits 16-23连上芯片2，bits 24-31连上芯片4。

如果从地址0读取4字节数据，4个存储芯片都从各自的地址0读出数据，而且位置也是 正确的。这4个字节的读取可以并行地进行，因此带宽是一次读取一个字节的4倍。

总结一下为什么需要数据对齐。为了增加CPU读取数据的带宽，内存系统通常都采用并 行结构使得可以并行传输数据。这样的并行结构使得访问对齐的数据速度快，但是若 要使访问不对奇的数据也一样快会使CPU与内存系统的接口变得更复杂，而这是划不来 的。经过权衡之后，最终的结果是：访问对齐的数据速度快，访问不对奇的数据速度 慢（需要2次访问）或干脆禁止访问不对奇数据。

关于访问对齐数据和不对齐数据的速度差异请 看这里。关于为什么使访问不对齐数据需要多次访问请 看这 里。关于哪些CPU禁止访问不对奇数据以及在这些CPU上如何解决访问不对奇 数据的问题请 看这里。

Visual C++的结构体对齐规则

每一个数据对象都有一个对齐限制，通常称为对齐模数。对于基本 类型（不包括结构体，联合体和数组）不同的数据类型的对齐模数通常等于这个数据 类型的大小，比如char的对齐模数为1，short的对齐模 数为2，int的对齐模数为4，float的对齐模数是 4，double的对齐模数为8。当然，这个对齐模数每一个编译器可能有差 异，并且可以设置。在Visual C++中可以通过/Zp选项 获#pragma设置。综合起来，基本类型的对齐模数是这个类型的大小和 设置的对齐限制的较小者。对于结构体，联合体和数组，对齐模数是它的成员的对齐 模数的最大值。

现举几个例子说明一下。（下面例子都在Visual C++ 2008 Express Edition上测试 过。）

struct A {    char c;    int i;};

c的对齐模数是1，i的对齐模数是4，因此结构 体A的对齐模数为4。c本身占用1个字节，由 于i的对齐模数为4，因此c后面填充3个字节以 使i的起始地址对齐。这样加起来是8个字节，A已经对齐 了，后面不用再填充了，因此A占用8个字节。

另一个例子。

struct A {    char c;    int i;    char d;};

跟上面一样，c的对齐模数是1，i的对齐模数，d的对齐模数是1，因此结构体A的对齐 模数为4。c占用1字节，为使i对齐，c后面要填充3个字节，因此c和d占用8个字节。d 占用1个字节，这样一共占用9个字节，但是A的对齐模数是4，因此d后面要填充4字节。 因此A占用12字节。

 

对于比特域来讲，上面的规则要稍稍修改一下。对于连续的声明类型大小相同的比特域来讲，如果它们申请的宽度加起来不超过它们声明的类型大小，那么它们可以压缩在一个分配单元中。对于声明类型大小不同的比特与来讲，它们分配在不同的分配单元中。

struct A {    char a : 3;    char b : 5;};

 

a和b的类型长度都为1字节，因此可以考虑合并。它们加 起来为8比特，可以放在一个字节中，由于A的对齐模数为1，因此不需在后面再填充数 据，所以A的大小为1字节。

另一个例子.

struct A {    char a : 4;    char b : 5;};

a和b的类型长度都为1字节，因此可以考虑合并，但跟上 例不同的是，它们无法放入一个字节中（加起来为9比特），因此它们要放在各自的分 配单元中，a和b之间有4比特的空隙。A的 大小为2字节。

 

再考虑如下例子.

struct A {    char a : 3;    int b : 2;    char c : 2;};

a和b的类型长度不相等（a的为1字 节，b的为4字节），因此不能合并，同样b和c也不能合并。因此，a单 独占用1字节，后面填充3字节以使b对齐，b占用4字节，c占用1字节。由于A的对齐模 数是4字节，所以c后面要填充3字节，A的大小为12字节。

 

下面再考虑匿名比特域的例子。匿名比特域主要目的是在两个比特域之间加入一段空隙。

struct A {    char a : 2;    char   : 2;    char b : 2;};

匿名比特域对对齐规则没有影响，它唯一的不同是无法引用这个域。由于这3个域的类 型大小是一样的，且可以放在一个字节之中，因此可以合并，A的大小为1字节。

 

下面再考虑匿名比特域宽度为0的，它的作用是使它后面的比特域对齐到下个比特域的对齐模数上，也就是说，不允许它跟上一个比特域合并。

struct A {    char a : 2;    char   : 0;    char b : 2;};

尽管这三个比特域的类型一样，但是由于a和b之间有一个宽度为0的匿名比特域，因此 它们不能合并。a和b个占用1个字节，所以A的大小为2字节。

 

最后，对于具有普通成员和比特域的结构体，它们的对齐规则跟上面的一样。注意，普 通成员与比特域不能合并，只有连续的比特域之间可以考虑合并，每一个成员都要对 齐到自己的对齐模数上。

首先 几个概念：

1.基本数据类型的自身对齐值：char自身对齐值为1，short为2，int,float为4，double为8，单位字节。

2.结构体或者类的自身对齐值：其成员变量中自身对齐值最大的那个值。

3.指定对齐值：#pragma pack (n)时的指定的对齐值n。

那么数据成员、结构体以及类最终按照几字节对齐：自身对齐值和指定对齐值中小的那个值。

然后有个公式： 存放起始地址 % 各个成员的自身对齐值 = 0

现在我们来看这个类

C/C++ code

?

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

class A

{

public:

double d;

int a;

char c;

float b;

A();

~A();

};

这里没有指定对齐值（就是没有#pragma pack (n)）
那么这个类的的最终的对齐值是 8，就是按照8字节对齐

假定 地址空间从0x0000开始排放，
那么double d的地址为  0x0000 （0x0000 % 8 = 0） 

然后往后偏8字节之后，能被下一个成员int a这4字节对齐值整除的地址为0x0008
那么int a的地址为  0x0008 （0x0008 % 4 = 0）

然后往后偏4字节之后，能被char c这1字节对齐值整除的地址为0x000C
那么char c的地址为  0x000C （0x000C % 1 = 0）

然后往后偏1字节之后，能被float b这4字节对齐值整除的地址为0x0010（此时char c后面空出来了3字节）
那么float b的地址为  0x0010 （0x0010 % 4 = 0）

部分内容参考：http://blog.csdn.net/tigerscorpio/article/details/5933807