字节对齐学习

基本概念

字长

CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。需要注意一点，CPU的字长和具体的机器相关，比如对于32位系统，表明当前CPU的字长是32位，即CPU可以同时处理32位数据。

CPU字(Word)和比特(Bit)、字节(Byte)都是计算机保存信息的单位，只不过他们的量级不一样。为什么CPU字这个东西很重要，因为这牵扯到内存对其的问题。

对于大多数CPU来说，CPU字长的整数倍操作起来更快，因此对于这些成员加起来如果不够这个整数倍，有可能编译器会插入多余的内容凑足这个整数倍，此外，有时候相邻的成员之间也有可能因为这个目的被插入空白，这个叫做“补齐”(padding)。记住一点，内存对其就是要凑够一个CPU字，这样操作起来更快。

什么是字节对齐？为什么字节对齐？

来自《深入理解计算机系统》

Many computer systems place restrictions on the allowable addresses for the primitive data types, requiring that the address for some type of object must be a multiple of some value K (typically 2, 4, or 8).
简言之，系统要求对象的地址必须是自身类型的整数倍。

原因在于：

Such alignment restrictions simplify the design of the hardware forming the interface between the processor and the memory system.
这种设计可以简化（处理器和存储系统之间接口）硬件设计。

例子：

For example, suppose a processor always fetches 8 bytes from memory with an address that must be a multiple of 8. If we can guarantee that any double will be aligned to have its address be a multiple of 8, then the value can be read or written with a single memory operation. Otherwise, we may need to perform two memory accesses, since the object might be split across two 8-byte memory blocks.
假设对于一个32位机器，处理器每次去内存取4个字节，并且变量的地址都是4的整数倍。这样的话，每次一次访存就可以取出一个int变量。如果，不采用字节对齐，那么对于一个int变量，存放它的地址可以不是4的整数倍，这回导致一个int变量存储在2个4-byte memery blocks当中，此时取出它就需要访问存储器两次。

一个例子

#include <stdio.h>struct A {    char a; // 1 byte    int b;  // 4 byte    char c; // 1 byte    short d;// 2 byte};int main( void ){    printf( "%ld\n", sizeof(struct A) );    struct A obj;    printf( "%#x\n", &obj );    printf( "%#x\n", &(obj.a) );    printf( "%#x\n", &(obj.b) );    printf( "%#x\n", &(obj.c) );    printf( "%#x\n", &(obj.d) );    return 0;}/*120x4b341bf00x4b341bf00x4b341bf40x4b341bf80x4b341bfa*/

正常情况下，这个类型应该占8 bytes.但是结果是12.

结构体字节对齐规则

1. 以成员中最大的数据类型为步长分配内存块给结构体
2. 每个成员存储的起始地址必须是自身类型的整数倍。

a: 1000
b: 1111
c,d: 1010

这个图怎么看，最大的类型是Int，4bytes.所以，每次内存分配的步长都是4bytes. c,d都在一个4bytes的原因是，1.他们大小够，可以存放在这里。所以，不发生内存分配，其次，地址必须是类型的倍数。short是2bytes，所以，不能紧跟着c进行存放。其实对于b是一样的道理，内存不够进行分配，但是分配之后不能存储在a的后面，因为规则2.