深入理解内存对齐



内存对齐”应该是编译器的“管辖范围”。编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。但是C语言的一个特点就是太灵活，太强大，它允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再透明了。

对齐原因

1、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。

2、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。

对齐规则

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”。

规则：

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，比较小的那个进行。

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。

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。

#pragma pack(n)

编译器中提供了#pragma pack(n)来设定变量以n字节对齐方式。n字节对齐就是说变量存放的起始地址的偏移量有两种情况：第一、如果n大于等于该变量所占用的字节数，那么偏移量必须满足默认的对齐方式，第二、如果n小于该变量的类型所占用的字节数，那么偏移量为n的倍数，不用满足默认的对齐方式。结构的总大小也有个约束条件，分下面两种情况：如果n大于所有成员变量类型所占用的字节数，那么结构的总大小必须为占用空间最大的变量占用的空间数的倍数；否则必须为n的倍数。

n：可选参数；指定packing的数值，以字节为单位；默认数值是8，合法的数值分别是1、2、4、8、16。

代码示例

使用默认##pragma pack(n)

#include <iostream>using namespace::std;//#pragma pack (n)class Csize{        public:                int x;                char y;                void print();};void Csize::print(){         cout << sizeof(Csize) << endl;}int main(int argc,char *argv[]){        Csize a;        a.print();        return 0;}

此时输出结果为8，即类Csize的长度为8。当程序未设定#pragma pack (n)时，默认n=8,即编译器执行8字节对齐。而类中最大数据元素为int型,占4个字节,此时执行较小的，也就是4字节对齐方式。类Csize中其他类型，如本例中的char类型只有1个字节，在执行4字节对齐的情况下，后面两个字节自动补齐（1+3），不添加任意数据。所以类Csize长度为4+（1+3）=8。

使用#pragma pack (2)

#include <iostream>#pragma pack(2)using namespace::std;class Csize{        public:                int x;                char y;                void print();};void Csize::print(){         cout << sizeof(Csize) << endl;}int main(int argc,char *argv[]){        Csize a;        a.print();        return 0;}

此时输出结果为6。由于#pragma pack (2)，设定n=2，编译器执行2字节对齐。此时int型被拆分成两个部分，均为2字节，而char型本身为1字节，但是自动补全1个字节。所以2+2+（1+1）=6，即类Csize的长度为6。

注意：#progma pack (n)中，n只能取合法的计算机数值，即2^n。否则会出现警告，如：warning: alignment must be a small power of two, not 3 [-Wpragmas]