内存对齐

1、什么是内存对齐。

所谓内存对齐，其实就是对于一些组合体比如struct，union，class，它们的数据成员在内存中并不是紧紧挨着的，要遵循一定的对齐规则。

比如这个例子：

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>void basicSize();struct BCSIFD {bool b;char c;short s;int i;float f;double d;};int main() {basicSize();printf("sizeof(BCSIFD): %d\n", sizeof(BCSIFD));printf("offsetof bool: %d, ", offsetof(BCSIFD, b));printf("offsetof char: %d, ", offsetof(BCSIFD, c));printf("offsetof short: %d, ", offsetof(BCSIFD, s));printf("offsetof int: %d, ", offsetof(BCSIFD, i));printf("offsetof float: %d, ", offsetof(BCSIFD, f));printf("offsetof double: %d.\n", offsetof(BCSIFD, d));system("Pause");return 0;}void basicSize() {printf("\n");printf("sizeof(bool): %d\n", sizeof(bool));printf("sizeof(char): %d\n", sizeof(char));printf("sizeof(short): %d\n", sizeof(short));printf("sizeof(int): %d\n", sizeof(int));printf("sizeof(float): %d\n", sizeof(float));printf("sizeof(double): %d\n", sizeof(double));printf("\n");}

结构体内部成员总大小其实只有20字节，然而结构体的大小却是24字节。

offsetof()的详细解释可以看这里：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/dz4y9b9a.aspx，或者直接将offsetof()当做起始位置的坐标也可以。

2、为什么会这样。

在每个平台的编译器上都有自己的对齐系数，本文所有测试结果都在VS2013上得出，为了后文的讲述方便，这里将对齐系数以N表示。

对于编译器是依照什么规矩将数据对齐的，我们可以参照MSDN上的两句话：

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/2e70t5y1.aspx

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/vstudio/9dbwhz68

依照这两句话，我们可以得出这样的结论：

1）对于结构内部成员的对齐：

每个成员的起始位置=min（k1*N, k2*size），在该基础上尽量紧密安排位置，并且该成员的位置不能占了其他成员的位置（这是当然的）。

其中k1、k2都为非负整数，size是该成员的大小。

注意起始位置是个概念，是相对位置，从0开始。

例子：

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>struct Test {char c;short s;double d;};int main() {printf("sizeof(Test): %d\n", sizeof(Test));printf("offsetof char: %d, ", offsetof(Test, c));printf("offsetof short: %d, ", offsetof(Test, s));printf("offsetof double: %d.\n", offsetof(Test, d));system("Pause");return 0;}

这里并没有改变编译器的对齐系数的值，因此默认N=8，对于结构体中的数据，从char到double：

char的size=1，min（k1*N, k2*size）= 0；

short的size=2，min（k1*N, k2*size）= 2；

double的size=8，min（k1*N, k2*size）= 8；

因此在结构体中的存储位置示意图就是：

如果我们修改一下对齐系数：

这里将其改成了1：

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>#pragma pack(1)struct Test {char c;short s;double d;};int main() {printf("sizeof(Test): %d\n", sizeof(Test));printf("offsetof char: %d, ", offsetof(Test, c));printf("offsetof short: %d, ", offsetof(Test, s));printf("offsetof double: %d.\n", offsetof(Test, d));system("Pause");return 0;}

char的size=1，min（k1*N, k2*size）= 0；

short的size=2，min（k1*N, k2*size）= 1；

double的size=8，min（k1*N, k2*size）= 3；

因此在结构体中的存储位置示意图就是：

如果将对齐系数改成16：

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>#pragma pack(16)struct Test {char c;short s;double d;};int main() {printf("sizeof(Test): %d\n", sizeof(Test));printf("offsetof char: %d, ", offsetof(Test, c));printf("offsetof short: %d, ", offsetof(Test, s));printf("offsetof double: %d.\n", offsetof(Test, d));system("Pause");return 0;}

由于起始位置取较小值的原因，16已经超过了所有成员的size最大值（8），因此可以说是没有作用的。

2）对于结构本身的对齐：

也就是对于结构体本身的大小的问题。

结构体大小=min（k1*N, k2*maxSize）。

其中k1、k2都为非负整数，maxSize是该结构体中成员的最大size。

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>struct Test {char c1;int i;char c2;};int main() {printf("sizeof(Test): %d\n", sizeof(Test));printf("offsetof char1: %d, ", offsetof(Test, c1));printf("offsetof int: %d, ", offsetof(Test, i));printf("offsetof char2: %d.\n", offsetof(Test, c2));system("Pause");return 0;}

对齐系数按照默认值是8，成员中最大的是int，maxSize=4。

所以结构体大小=min（k1*N, k2*maxSize）=12。

结构体内部示意图：

如果将对齐系数改成2：

#include <stdio.h>#include <stddef.h>#include <stdlib.h>#pragma pack(2)struct Test {char c1;int i;char c2;};int main() {printf("sizeof(Test): %d\n", sizeof(Test));printf("offsetof char1: %d, ", offsetof(Test, c1));printf("offsetof int: %d, ", offsetof(Test, i));printf("offsetof char2: %d.\n", offsetof(Test, c2));system("Pause");return 0;}

3、关于MSDN中与pack有关的代码测试。

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/2e70t5y1.aspx

在VS2013中写入以下代码：

#include <stddef.h>#pragma pack()  // 默认为8#pragma pack(show)#pragma pack(4)  // 现在改成4#pragma pack(show)#pragma pack(push, r1, 16)  // push进一个16，标识为r1#pragma pack(show)#pragma pack(push, r2, 2)  // push进一个2，标识为r2#pragma pack(show)#pragma pack(pop)  // 弹出顶部，即弹出r2#pragma pack(show)int main() {return 0;}

在错误列表中的警告得到相关信息：

根据代码后面的注释理解起来并不难。

注意pop是可以一直pop到指定的标识符并且pop到指定标识符后还可以修改对齐系数。

#include <stddef.h>#pragma pack()  // 默认为8#pragma pack(show)#pragma pack(4)  // 现在改成4#pragma pack(show)#pragma pack(push, r1, 16)  // push进一个16，标识为r1#pragma pack(show)#pragma pack(push, r2, 2)  // push进一个2，标识为r2#pragma pack(show)#pragma pack(push, r3, 8)  // push进一个2，标识为r2#pragma pack(show)#pragma pack(pop, r1, 1)  // 一直pop直到r1，并修改为1#pragma pack(show)int main() {return 0;}

4、为什么编译器要对齐呢？

为了效率，为了CPU读入数据的效率，牺牲空间，为了防止一些错误。

在stackoverflow上有个比较好的解答：

http://stackoverflow.com/questions/381244/purpose-of-memory-alignment

或者阅读这篇文章，其中有大致的测试：

http://www.alexonlinux.com/aligned-vs-unaligned-memory-access