内存对齐详解

   内存地址对齐，是一种在计算机内存中排列数据（表现为变量的地址）、访问数据（表现为CPU读取数据）的一种方式，包含了两种相互独立又相互关联的部分：基本数据对齐和结构体数据对齐 。

       为什么需要内存对齐？对齐有什么好处？是我们程序员来手动做内存对齐呢？还是编译器在进行自动优化的时候完成这项工作？

       在现代计算机体系中，每次读写内存中数据，都是按字（word，4个字节，对于X86架构，系统是32位，数据总线和地址总线的宽度都是32位，所以最大的寻址空间为232 = 4GB（也 许有人会问，我的32位XP用不了4GB内存，关于这个不在本篇博文讨论范围），按A[31,30…2,1,0]这样排列，但是请注意为了CPU每次读写 4个字节寻址，A[0]和A[1]两位是不参与寻址计算的。）为一个块（chunks）来操作（而对于X64则是8个字节为一个快）。注意，这里说的 CPU每次读取的规则，并不是变量在内存中地址对齐规则。既然是这样的，如果变量在内存中存储的时候也按照这样的对齐规则，就可以加快CPU读写内存的速 度，当然也就提高了整个程序的性能，并且性能提升是客观，虽然当今的CPU的处理数据速度(是指逻辑运算等,不包括取址)远比内存访问的速度快，程序的执 行速度的瓶颈往往不是CPU的处理速度不够，而是内存访问的延迟，虽然当今CPU中加入了高速缓存用来掩盖内存访问的延迟，但是如果高密集的内存访问，一 种延迟是无可避免的，内存地址对齐会给程序带来了很大的性能提升。

       内存地址对齐是计算机语言自动进行的，也即是编译器所做的工作。但这不意味着我们程序员不需要做任何事情，因为如果我们能够遵循某些规则，可以让编译器做得更好，毕竟编译器不是万能的。

       为了更好理解上面的意思，这里给出一个示例。在32位系统中，假如一个int变量在内存中的地址是0x00ff42c3,因为int是占用4个字节，所以它的尾地址应该是0x00ff42c6，这个时候CPU为了读取这个int变量的值，就需要先后读取两个word大小的块，分别是0x00ff42c0~0x00ff42c3和0x00ff42c4~0x00ff42c7，然后通过移位等一系列的操作来得到，在这个计算的过程中还有可能引起一些总线数据错误的。但是如果编译器对变量地址进行了对齐，比如放在0x00ff42c0，CPU就只需要一次就可以读取到，这样的话就加快读取效率。

       1、基本数据对齐
                 在X86，32位系统下基于Microsoft、Borland和GNU的编译器，有如下数据对齐规则：
                 a、一个char（占用1-byte）变量以1-byte对齐。
                 b、一个short（占用2-byte）变量以2-byte对齐。
                 c、一个int（占用4-byte）变量以4-byte对齐。
                 d、一个long（占用4-byte）变量以4-byte对齐。
                 e、一个float（占用4-byte）变量以4-byte对齐。
                 f、一个double（占用8-byte）变量以8-byte对齐。
                 g、一个long double（占用12-byte）变量以4-byte对齐。
                 h、任何pointer（占用4-byte）变量以4-byte对齐。

                而在64位系统下，与上面规则对比有如下不同：
                 a、一个long（占用8-byte）变量以8-byte对齐。
                 b、一个double（占用8-byte）变量以8-byte对齐。
                 c、一个long double（占用16-byte）变量以16-byte对齐。
                 d、任何pointer（占用8-byte）变量以8-byte对齐。

       2、结构体数据对齐
       结构体数据对齐，是指结构体内的各个数据对齐。在结构体中的第一个成员的首地址等于整个结构体的变量的首地址，而后的成员的地址随着它声明的顺序和实际占用的字节数递增。为了总的结构体大小对齐，会在结构体中插入一些没有实际意思的字符来填充（padding）结构体。

       在结构体中，成员数据对齐满足以下规则：
        a、结构体中的第一个成员的首地址也即是结构体变量的首地址。
        b、结构体中的每一个成员的首地址相对于结构体的首地址的偏移量（offset）是该成员数据类型大小的整数倍。
        c、结构体的总大小是对齐模数（对齐模数等于#pragma pack(n)所指定的n与结构体中最大数据类型的成员大小的最小值）的整数倍。

   7:  struct

   8:  {
   9:      char a;
  10:      int b;
  11:      short c;
  12:      char d;
  13:  }dataAlign2;
  14:   
  15:  struct
  16:  {
  17:      char a;
  18:      char d;
  19:      short c;
  20:      int b;
  21:      
  22:  }dataAlign;

       仔细观察，会发现虽然是一样的数据类型的成员，只不过声明的顺序不同，结构体占用的大小也不同，一个8-byte一个12-byte。为什么这样，下面进行具体分析。  
       首先来看dataAlign2，第一个成员的地址等于结构体变量的首地址，第二个成员char类型，为了满足规则b，它相对于结构体的首地址的偏移量必须 是char=1的倍数，由于前面也是char，故不需要在第一个和第一个成员之间填充，直接满足条件。第三个成员short=2如果要满足规则b，也不需 要填充，因为它的偏移量已经是2。同样第四个也因为偏移量int=4，不需要填充，这样结构体总共大小为8-byte。最后来验证规则c，在VC中默认 的#pragma pack(n)中的n=8，而结构体中数据类型大小最大的为第四个成员int=4，故对齐模数为4,并且8 mode 4 = 0，所以满足规则c。这样整个结构体的总大小为8。

       对于dataAlign，第一个成员等于结构体变量首地址，偏移量为0，第二个成员为int=4，为了满足规则b，需要在第一个成员之后填充3-byte，让它相对于结构体首地址偏移量为4，结合运行结果，可知&dataAlign.a = 0x01109140，而&dataAlign.b = 0x01109144，它们之间相隔4-byte，0x01109141~0x01109143三个字节被0填 充。第三个成员short=2，无需填充满足规则b。第四个成员char=1，也不需要填充。结构体总大小相加4 + 4 + 2 + 1 = 11。同样最后需要验证规则c，结构体中数据类型大小最大为第二个成员int=4，比VC默认对齐模数8小，故这个结构体的对齐模数仍然为4，显然11 mode 4 != 0，故为了满足规则c，需要在char后面填充一个字节，这样结构体变量dataAlign的总大小为4 + 4 + 2 + 2 = 12。