不可不知的内存对齐（Memory Alignment）

内存对齐的原因

• 平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
• 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，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

上图中，左边蓝色的方框是CPU，右边绿色的方框是内存，内存上面的0～3是内存地址。这里我们这张图是以32位CPU作为代表，我们都知道，32位CPU是以双字（DWORD）为单位进行数据传输的，也正因为这点，造成了另外一个问题，那么这个问题是什么呢？这个问题就是，既然32位CPU以双字进行数据传输，那么，如果我们的数据只有8位或16位数据的时候，是不是CPU就按照我们数据的位数来进行数据传输呢？其答案是否定的，如果这样会使得CPU硬件变的更复杂，所以32位CPU传输数据无论是8位或16位都是以双字进行数据传输。那么也罢，8位或16位一样可以传输，但是，事情并非像我们想象的那么简单，比如，一个int类型4字节的数据如果放在上图内存地址1开始的位置，那么这个数据占用的内存地址为1～4，那么这个数据就被分为了2个部分，一个部分在地址0～3中，另外一部分在地址4～7中，又由于32位CPU以双字进行传输，所以，CPU会分2次进行读取，一次先读取地址0～3中内容，再一次读取地址4～7中数据，最后CPU提取并组合出正确的int类型数据，舍弃掉无关数据。那么反过来，如果我们把这个int类型4字节的数据放在上图从地址0开始的位置会怎样呢？读到这里，也许你明白了，CPU只要进行一次读取就可以得到这个int类型数据了。没错，就是这样，这次CPU只用了一个周期就得到了数据，由此可见，对内存数据的摆放是多么重要啊，摆放正确位置可以减少CPU的使用资源。

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，之后与系统的对齐模数相比较，选则其中较小者，然后寻找内存地址能是较小者的整倍的位置，作为结构体的首地址。

1. #pragma pack(show)
    以警告信息的形式显示当前字节对齐的值.
2. #pragma pack(n)
    将当前字节对齐值设为 n .
3. #pragma pack()
    将当前字节对齐值设为默认值(通常是8) .
4. #pragma pack(push)
    将当前字节对齐值压入编译栈栈顶.
5. #pragma pack(pop)
    将编译栈栈顶的字节对齐值弹出并设为当前值.
6. #pragma pack(push, n)
    先将当前字节对齐值压入编译栈栈顶, 然后再将 n 设为当前值.
7. #pragma pack(pop, n)
    将编译栈栈顶的字节对齐值弹出, 然后丢弃, 再将 n 设为当前值.
8. #pragma pack(push, identifier)
    将当前字节对齐值压入编译栈栈顶, 然后将栈中保存该值的位置标识为 identifier .
9. #pragma pack(pop, identifier)
    将编译栈栈中标识为 identifier 位置的值弹出, 并将其设为当前值. 注意, 如果栈中所标识的位置之上还有值, 那会先被弹出并丢弃.

内存对齐的好处，通俗地讲，就是用空间换效率。一般来说，系统默认的对齐模数是8，你也可以将其设为1，不过，内存占用是小了，程序的性能却明显下降了。

内存对齐原则

1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，较小的那个进行。即每个数据成员的地址必须是较小者的整数倍。

2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。结构体末尾之后的那个地址必须是较小者的整数倍。第二条也叫做补齐。补齐的目的就是多个结构变量挨着摆放的时候也满足对齐的要求。

3、结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

以例说明

接下来我们通过一个例子来加深对内存对齐概念的理解，下面是一个结构体，我们动手算出下面结构体一共占用多少内存？假设我们以32位平台并且以4字节对齐方式：

#pragma pack(4)typedef struct MemAlign {char a[18];double b;char c;int d;short e;}MemAlign;

下图为对齐后结构如下：

我们就以这个图来讲解是如何对齐的：

第一个成员（char a[18]）：首先，假设我们把它放到内存开始地址为0的位置，由于第一个成员占18个字节，所以第一个成员占用内存地址范围为0～18。
第二个成员（double b）：由于double类型占8字节，又因为8字节大于4字节，所以就以4字节对齐为基准。由于第一个成员结束地址为18，那么地址18并不是4的整数倍，我们需要再加2个字节，也就是从地址20开始摆放第二个成员。
第三个成员（char c）：由于char类型占1字节，任意地址是1字节的整数倍，所以我们就直接将其摆放到紧接第二个成员之后即可。
第四个成员（int d）：由于int类型占4字节，但是地址29并不是4的整数倍，所以我们需要再加3个字节，也就是从地址32开始摆放这个成员。
第五个成员（short e）：由于short类型占2字节，地址36正好是2的整数倍，这样我们就可以直接摆放，无需填充字节,紧跟其后即可。

这样我们内存对齐就完成了。但是离成功还差那么一步，那是什么呢？对，是对整个结构体补齐，接下来我们就补齐整个结构体。那么，先让我们回顾一下补齐的原则：“以4字节对齐为例，取结构体中最大成员类型倍数，如果超过4字节，都以4字节整数倍为基准对齐。”在这个结构体中最大类型为double类型（占8字节），又由于8字节大于4字 节，所以我们还是以4字节补齐为基准，整个结构体结束地址为38，而地址38并不是4的整数倍，所以我们还需要加额外2个字节来填充结构体，如下图红色的就是补齐出来的空间：

到此为止，我们内存对齐与补齐就完毕了！

比如你有这样的结构型：  struct  {    char a[3];    short int b;    long int c;    char d[3];  };现在，你或者想它可能在内存中是这样存放的：  +-------+-------+-------+-------+  |           a           |   b   |  +-------+-------+-------+-------+  |   b   |           c           |  +-------+-------+-------+-------+  |   c   |           d           |  +-------+-------+-------+-------+但是，如果编译器这样做对处理器更容易：  +-------+-------+-------+  |           a           |  +-------+-------+-------+  |       b       |  +-------+-------+-------+-------+  |               c               |  +-------+-------+-------+-------+  |           d           |  +-------+-------+-------+在填充版本，注意b和c成员是怎样停止的呢？它看起来对你我都有一点困难。总之，它对处理器也是。因此大部分编译器会填充结构型对象（好似有额外的，不可见的域成员）：  +-------+-------+-------+-------+  |           a           | pad1  |  +-------+-------+-------+-------+  |       b       |     pad2      |  +-------+-------+-------+-------+  |               c               |  +-------+-------+-------+-------+  |           d           | pad3  |  +-------+-------+-------+-------+

编程验证

接下来我们用实验来证明真理，程序如下：

#include <stdio.h>#include <memory.h>// 由于VS2010默认是8字节对齐，我们// 通过预编译来通知编译器我们以4字节对齐#pragma pack(4)// 用于测试的结构体typedef struct MemAlign {char a[18];// 18 bytesdouble b;// 08 byteschar c;// 01 bytesint d;// 04 bytesshort e;// 02 bytes}MemAlign;int main() {// 定义一个结构体变量MemAlign m;// 定义个以指向结构体指针MemAlign *p = &m;// 依次对各个成员进行填充，这样我们可以// 动态观察内存变化情况memset( &m.a, 0x11, sizeof(m.a) );memset( &m.b, 0x22, sizeof(m.b) );memset( &m.c, 0x33, sizeof(m.c) );memset( &m.d, 0x44, sizeof(m.d) );memset( &m.e, 0x55, sizeof(m.e) );// 由于有补齐原因，所以我们需要对整个// 结构体进行填充，补齐对齐剩下的字节// 以便我们可以观察到变化memset( &m, 0x66, sizeof(m) );// 输出结构体大小printf( "sizeof(MemAlign) = %d", sizeof(m) );}

通过调试程序，查看内存如下：

在memset( &m, 0x66, sizeof(m) ); 语句之前添加断点

其中，每个成员被分别设置了0x11~0x55不同的值以便区分。

可以看到，图中蓝色方框中的0xcc 就是编译器添加的无意义占位字节。

由于这里看不到补齐效果，我们接下来看下图，我们又将结构体中所有的字节全设置为0x66，包括编译器补足的占位字节。

所以下图篮框包围的字节就是补齐字节，即 与上图的交集以外的部分就是补齐所填充的字节。

在最后，再谈一谈关于补齐的作用，补齐其实就是为了让这个结构体定义的数组变量时候，数组内部，也同样满足内存对齐的要求，为了更好的理解这点，请看下图：

最后，说一下怎么禁止编译器进行内存对齐。说来也很简单，只要把对齐模数设为1就OK了。

#pragma pack(1)，即指定按1字节对齐，也就是禁止内存对齐。