struct内存对齐

出于速度和空间的考量，编译器在实现过程中均会采用对struct内的变量进行内存对齐的操作，虽然会有一定的空间浪费，却可以减少在读取数据时候的读取操作。

先看下面的例子

struct A{    char a;    int b;};int main(){    cout << "size of A:"<<sizeof(A)<<"bytes" << endl;    return 0;}

输出的结果是8字节。

对于这样的结构体，在内存中有两种存储方式。

      ||  1B  ||  2B  ||  3B  ||  4B  ||  5B  ||  6B  ||  7B  ||  8B  ||

1.  ||   a    ||    ------------b-----------     ||

2.  ||   a    ||                               ||    ------------b-----------     ||
对于第一种存储方案，6、7、8三个字节的存储空间还可以留给后续使用。但注意，当我们要读取b的值的时候，32位的CPU会先读取1-4字节，再读取5-8字节，然后进行拼接得到b的值。而第二种方案，虽然会浪费掉2-4这三个字节，但读取b的值的时候，只需要一次读取操作就可以完成。

了解了内存对齐的基本思想，我又产生了三个新的疑问。一是，内存对齐与结构体内变量声明的顺序是否有关。二是，进行内存对齐的对齐标准是什么，是怎样确定的对齐标准。三是，如果对于64位机器，那么上面的第一种方案无疑是可取的，但实验表明，64位机器上（64位编译器）仍然采取了方案二进行对齐。

对于第一个疑问，看代码：

struct A{    char a,c;    int b;};struct B{    char a;    int b;    char c;};int main(){    cout << "size of A:"<<sizeof(A)<<"bytes" << endl;    cout << "size of B:"<<sizeof(B)<<"bytes" << endl;    return 0;}

输出的结果是A为8字节，B为12字节。这说明，在结构体内声明变量的顺序会影响结构体的内存分配。编译器在处理时，是按顺序进行内存分配和对齐的。

对于疑问二，在别人的博文中（http://blog.csdn.net/kokodudu/article/details/11918219），我看到了一个关于对齐的概念：

这里面有四个概念值：

1)数据类型自身的对齐值：基本数据类型的自身对齐值。

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。

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。

概念看着比较多，但对于我们实际使用来说，可以进行一个简单不精确的概括。首先，平时写代码时，很少会用到指定对齐值，所以不用关注概念2和概念4 。而对于概念1和概念3，可以简单的理解为，结构体会按照其内部所包含的最长的基本类型成员（包括成员结构体的成员）的长度进行对齐。

下面看一个例子。

struct A{    char a[5];};struct B{    A a;    int b;};int main(){    cout << "size of A:"<<sizeof(A)<<"bytes" << endl;    cout << "size of B:"<<sizeof(B)<<"bytes" << endl;    return 0;}

输出的结果是A是5字节，B是12字节。

分析起来很简单，因为A中最长的基本数据类型是char，所以按1字节进行对齐。B中最长的基本数据类型是int，所以按4字节进行对齐。

但是这个概念里忽略了几个基本数据类型，枚举、指针。下面我们就来测试一下这几个类型的对齐长度。

enum e{};struct A{    e a;};struct B{    int* a;};int main(){    cout << "size of A:"<<sizeof(A)<<"bytes" << endl;    cout << "size of B:"<<sizeof(B)<<"bytes" << endl;    return 0;}

输出结果对于A，结果是4字节。对于B，32位编译器的结果是4字节，64位编译器的结果是8字节。

对于疑问三，实际上这个疑问是有问题的。因为虽然在一个存取周期内CPU把数据读入了CPU之中（假设读入到寄存器RAX中），我们需要对RAX进行移位操作才能使得EAX寄存器中恰好取得int变量b的值。

最后，概括起来，借用《Windows核心编程》里的话来总结结构体进行对齐的根本原因：当CPU访问正确对齐的数据时，它的运行效率最高，当数据大小的数据模数的内存地址是0时，数据是对齐的。