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一、內存對齊原因
我們知道內存的最小單元是一個字節，當cpu從內存中讀取數據的時候，是一個一個字節讀取，所以內存對我們應該是入下圖這樣：
但是實際上cpu將內存當成多個塊，每次從內存中讀取一個塊，這個塊的大小可能是2、4、8、16等。
那麼下面，我們來分析下非內存對齊和內存對齊的優缺點在哪？
內存對齊是操作系統爲了提高訪問內存的策略。操作系統在訪問內存的時候，每次讀取一定長度(這個長度是操作系統默認的對齊數，或者默認對齊數的整數倍)。如果沒有對齊，爲了訪問一個變量可能產生二次訪問。
- 至此大家應該能夠簡單明白，爲什麼要簡單內存對齊？
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二、如何內存對齊
- 對於標準數據類型，它的地址只要是它的長度的整數倍。
- 對於非標準數據類型，比如結構體，要遵循一下對齊原則：
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1. 數組成員對齊規則。第一個數組成員應該放在offset爲0的地方，以後每個數組成員應該放在offset： min（當前成員的大小，#pargama pack(n)）整數倍的地方開始，win#pargama pack(n)默認爲8 （比如int在32位機器爲４字節，#pargama pack(2)，那麼從2的倍數地方開始存儲）。
2. 結構體總的大小，也就是sizeof的結果，必須是min（結構體內部最大成員，#pargama pack(n)）的整數倍，不足要補齊。
3. 結構體做爲成員的對齊規則。如果一個結構體B裏嵌套另一個結構體A,還是以最大成員類型的大小對齊： min{ 結構體A的起點爲A內部最大成員，#pargama pack(n) } （struct B裏存有struct A，A裏有char，int，double等成員，那A應該從8的整數倍開始存儲。），結構體A中的成員的對齊規則仍滿足原則1、原則2。 |
手動設置對齊模數:
顯示當前packing alignment的字節數，以warning message的形式被顯示。
將當前指定的packing alignment數組進行壓棧操作，這裏的棧是the internal compiler stack,同事設置當前的packing alignment爲n；如果n沒有指定，則將當前的packing alignment數組壓棧。
從internal compiler stack中刪除最頂端的reaord; 如果沒有指定n,則當前棧頂record即爲新的packing alignement數值；如果指定了n，則n成爲新的packing alignment值
指定packing的數值，以字節爲單位，，合法的數值分別是1,2,4,8,16。 |
Linux 默認#pragma pack(4)
window 默認#pragma pack(8)
內存對齊總結：
第一個屬性開始 從0開始計算偏移量。
第二個和之後屬性要放在 該屬性的大小 與 對齊模數比 取小的值的 整數倍上。
當所有屬性都計算完畢後，整體做二次偏移，
將上面計算的結果 擴充到 這個結構體中最大數據類型 與對齊模數 比 取小的值 的整數倍。
三、內存對齊案例
所以案例均是 WIN 64位機上運行。
3.1 對齊模數：8
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#pragma pack(8)
typedef struct _STUDENT{ int a; char b; double c; float d; }Student;
typedef struct _STUDENT2{ char a; Student b; double c; }Student2;
void test01(){
//Student int a; 0~3 char b; 4~7 （4的由來：min{（char 字節數）1,（對齊模數）8} float b的開始地址是1的整數倍） double c; 8~15 （8的由來：min{（double 字節數）8,（對齊模數）8} double c的開始地址本是8的整數倍，所以c就從8開始，就可以推出 char b 所佔字節數是4~7 ） float d; 16~20 （16的由來：min{（float 字節數）8,（對齊模數）8} float d的開始地址是8的整數倍）
二次偏移：將上面計算的結果 擴充到min{（結構體中最大數據類型）8，（對齊模數）8} 既爲8的整數倍，最後結果是24
printf("sizeof Student:%d\n",sizeof(Student)); //Student2
//a從偏移量爲0位置開始 char a; 0~7 （7的由來：由Student b結構決定） Student b; 8~31 （8的由來：min{（結構體Student 的起點爲Student 內部最大成員）8，（對齊模數）8 }的倍數，就是8，就可以推出char a所佔位置爲0~7。） double c; 32~39 （32由來：min{（double 字節數）8,（對齊模數）8} double c 的開始地址是8的整數倍，之前我們算出Student b佔24字節，所以8~31都是Student b佔的，所以纔是32）
二次偏移：將上面計算的結果 擴充到min{（結構體中最大數據類型）8，（對齊模數）8} 既爲8的整數倍，最後結果是40 printf("sizeof Student2:%d\n", sizeof(Student2)); } |
3.2 對齊模數：4
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#pragma pack(4)
typedef struct _STUDENT{ int a; char b; double c; float d; }Student;
typedef struct _STUDENT2{ char a; Student b; double c; }Student2;
void test01(){
//Student int a; 0~3 char b; 4~7 （4的由來：min{（char 字節數）1,（對齊模數）4} float b的開始地址是1的整數倍） double c; 8~15 （8的由來：min{（double 字節數）8,（對齊模數）4} double c的開始地址本是4的整數倍，但是4是被b站了，所以是4的最小倍數8，所以c就從8開始。就可以推出 char b 所佔字節數是4~7 ） float d; 16~19 （16的由來：min{（float 字節數）8,（對齊模數）4} float d的開始地址是4的整數倍）
二次偏移：將上面計算的結果 擴充到min{（結構體中最大數據類型）8，（對齊模數）4} 既爲4的整數倍，最後結果是20 printf("sizeof Student:%d\n",sizeof(Student));
//Student2 //a從偏移量爲0位置開始 char a; 0~3 （3的由來：由Student b結構決定） Student b; 4~23 （4的由來：min{（結構體Student 的起點爲Student 內部最大成員）8，（對齊模數）4 }的倍數，就是4，就可以推出char a所佔位置爲0~3。） double c; 24~31 （32由來：min{（double 字節數）8,（對齊模數）8} double c 的開始地址是8的整數倍，之前我們算出Student b佔24字節，所以8~31都是Student b佔的，所以纔是32）
二次偏移：將上面計算的結果 擴充到min{（結構體中最大數據類型）8，（對齊模數）8} 既爲8的整數倍，最後結果是32 printf("sizeof Student2:%d\n", sizeof(Student2)); } |
3.3 實踐說明
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#pragma pack(16) // 16 8 4 2 1
struct Student
{
int a;
char b;
double c;
float d;
};
struct Student2
{
char a;
struct Student b;
double c;
};
void test()
{
printf("#pragma pack(16)\n");
printf("%d\n", offsetof(struct Student2, a));
printf("%d\n", offsetof(struct Student2, b));
printf("%d\n", offsetof(struct Student2, c));
printf("%d",sizeof(struct Student2));
}
結果：
帶結構體的內存對齊：
| 對齊模數： | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
| char a; | 0~7 | 0~7 | 0~3 | 0~1 | 0 |
| Student b; | 8~31 | 8~31 | 4~23 | 2~19 | 1~17 |
| double c; | 32~39 | 32~39 | 24~31 | 20~27 | 18~25 |
| 總大小： | 40 | 40 | 32 | 28 | 26 |
四、32位機和64位機內存對齊的區別
| 32位 | 64位 |
| sizeof(char):1 sizeof(short):2 sizeof(int):4 sizeof(long):4 sizeof(long long):8 sizeof(unsigned int):4 sizeof(float):4 sizeof(double):8 sizeof(pointer):4 |
sizeof(char):1 sizeof(short):2 sizeof(int):4 sizeof(long):4 sizeof(long long):8 sizeof(unsigned int):4 sizeof(float):4 sizeof(double):8 sizeof(pointer):8 |
32位和64位系統在Windows下基本數據類型的大小都是一樣的。只有指針的大小不一樣！
32位指針大小爲4byte，而64位的指針大小爲8byte。
在內存對齊的規則上64位和32位機規則是一樣的，只是有些數據結構和指針在64位和32位機所佔大小不一樣從而導致內存對齊後整體大小不一樣