c/c++內存對齊詳解
一、爲什麼會有內存對齊?
進行內存對齊的作用主要有兩個.
( 1 )平臺移植 : 不是所有的硬件平臺都能夠訪問任意地址上的數據，
( 2 )性能 : 內存對齊後訪問速度提升了 (對於訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。)
爲什麼內存對齊會提升效率?
CPU把內存當成是一塊一塊的，塊的大小可以是2、4、8、16字節等大小。CPU在讀取內存的時候是一塊一塊讀取的。塊大小即memory access granularity：內存讀取粒度。
假設CPU要讀取一個int型4字節大小的數據，看下列2種情況：
（1）數據從0字節開始；
（2）數據從1字節開始；
假設內存讀取粒度是4.情況（1）的時候，CPU只需一次便可把4字節讀取出來。
但是情況（2）的時候，要複雜一些。這個時候CPU先訪問一次內存，讀取0-3字節進寄存器，再讀取4-7字節進寄存器，然後把0、6、7、8字節的數據刪除掉，最後合併1-4字節的數據。可以看出，如果內存沒有對齊，所進行的操作要複雜得多。
二、對齊規則?
每個特定平臺上的編譯器都有自己的默認“對齊係數”(也叫對齊模數)。程序員可以通過預編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16來改變這一系數，其中的n就是你要指定的“對齊係數”。
規則：
(1)數據成員對齊規則：結構(struct)(或聯合(union))的數據成員，第一個數據成員放在offset爲0的地方，以後每個數據成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度中，比較小的那個進行。
(2)結構(或聯合)的整體對齊規則：在數據成員完成各自對齊之後，結構(或聯合)本身也要進行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中，比較小的那個進行。
(3)當#pragma pack的n值等於或超過所有數據成員長度的時候，這個n值的大小將不產生任何效果。
三、示例代碼
#include<stdio.h>
struct test
{
char a;
int b;
char c;
double d;
char e;
};
int main(void)
{
printf("%d\n",sizeof(struct test));
return 1;
}
輸出結果爲24
我的執行環境是Debian Linux（內核2.6.18），gcc 4.1.2，其實與在windows下使用vc的原理是一樣的而且不對默認對齊進行修改的話，結果也是一樣的。
四、分析
默認情況下，c/c++一般是設置對齊係數爲4，對於上面的例子也是如此。從上面的結果我們可以看出結構體test佔用的內存大小爲24，而不是1+4+1+8+1=15，那麼24是如何得到的呢？
按照二(1)中的規則對各個成員佔用的內存進行分析如下：
struct test
{
char a; /*長度1 < 4 按1對齊；起始offset=0, 0%1=0，存放區間[0]*/
int b; /*長度4 = 4 按4對齊；起始offset=1, 4%4=0；存放位置區間[4,7] */
char c; /*長度1 < 4 按1對齊；起始offset=8, 8%1=0，存放區間[8]*/
double d;/*長度8 > 4 按4對齊；起始offset=9, 12%4=0，存放區間[12,19]*/*/
char e; /*長度1 < 4 按1對齊；起始offset=20, 20%1=0，存放區間[20]*/
};
在按照二(2)中的規則對結構體整體佔用的內存進行分析：
整體對齊係數爲min(對齊係數,max(成員佔用內存大小))=min(4,8)=4
經過上面的分析test的成員共佔用內存區間[0,20],大小爲21個字節，然後進行整體對齊，需要滿足整體爲整體系數4的倍數，那麼最近的大小就是24了，所以結構體test佔用的內存空間爲24字節。
五、數組,嵌套.
#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;
#pragma pack(8)
struct Args
{
char ch;
double d;
short st;
char rs[9];
int i;
} args;
struct Argsa
{
char ch;
Args test;
char jd[10];
int i;
}arga;
int main()
{
// cout <<sizeof(char)<<" "<<sizeof(double)<<" "<<sizeof(short)<<" "<<sizeof(int)<<endl;
//cout<<sizeof(long)<<" "<<sizeof(long long)<<" "<<sizeof(float)<<endl;
cout<<"Args:"<<sizeof(args)<<endl;
cout<<""<<(unsigned long)&args.i-(unsigned long)&args.rs<<endl;
cout<<"Argsa:"<<sizeof(arga)<<endl;
cout<<"Argsa(i-jd):"<<(unsigned long)&arga.i -(unsigned long)&arga.jd<<endl;
cout<<"Argsa(jd-test):"<<(unsigned long)&arga.jd-(unsigned long)&arga.test<<endl;
return 0;
}
輸出結果:
Args:32
10
Argsa:56
Argsa(i-jd):12
Argsa(jd-test):32
#include "stdafx.h"
#include "iostream"
using namespace std;
#pragma pack(8)
struct tagOne{
short s;
char cArray[4];
double d;
};
struct tagTwo
{
char c;
tagOne tOne;//tOne的大小爲16，在tagTwo中整體以8以齊,所以上面char c補7個字節,
};
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
tagTwo temp;
printf("%d\n",sizeof temp);
return 0;
}
上面這個例子的輸出結果爲24
當結構體中出現結構體類型的成員時，不會將嵌套的結構體類型的整體長度參與到對齊值計算中，而是以嵌套定義的結構體所使用對齊值進行對齊，
六、其它
1. 在編寫代碼時候可以通過#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16來靈活控制內存對齊的係數，當需要關閉內存對齊時，可以使用#pragma pack()實現。
2. 注意事項
內存對齊可以大大的提高編譯器的處理速度，但不是任何時候都是必需的，有的時候不注意的話，還可能出現意想不到的錯誤！最典型的情況就是網絡通信程序的編碼中，一定要在定義結構體或者聯合之前使用#pragma pack()把內存對齊關閉，這是因爲遠程主機通常不知道對方使用的何種對齊方式，通過socket接收的字節流，然後按照字節解析得到對應的結果，如果使用內存對齊，遠程主機很喲可能會得到錯誤的結果！這種情況曾經指導上機時遇到過，而且屬於比較隱蔽的錯誤，debug了好久才發現問題出在這裏。
3. 優化結構體
雖然內存對齊可以提高運行效率，但是卻浪費了內存，在現代PC上通常不會在乎這點小的空間，但是在一些內存很小的嵌入式設備上，可能就要錙銖必較了。其實我們發現在不影響功能的前提下，可以調整成員的順序來減少“內存空洞”帶來的浪費。如果三.中的結構體代碼可以調整爲
struct test
{
char a;
char c;
char e;
int b;
double d;
}
這個時候整個結構體佔用的內存空間將會從上面的24減少到16。