【C++】內存對齊

【參考原文】JustDoIT：C++ 內存對齊

C++ 內存對齊

注：本文代碼測試環境爲win7 X64 cpu, 編譯器爲gcc4.7.1 和 vs2010

內存對齊是編譯器爲了便於CPU快速訪問而採用的一項技術

我們先從一個例子開始，對下面的類(或者結構體)

class node
{
    char c;

    int i;

    short s;
}no;

sizeof(no)的值是多少呢，如果你的回答是7(1+4+2)，那麼你應該認真閱讀下面的內容。可以在編譯器上試試，輸出的結果是12，這就是內存對齊的結果。

爲什麼要進行內存對齊呢？

1. 平臺原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常。
2. 性能原因：數據結構(尤其是棧)應該儘可能地在自然邊界上對齊。原因在於，爲了訪問未對齊的內存，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。

編譯器一般按照幾個字節對齊呢？本文中兩個編譯器默認按照類中最大類型長度來對齊，我麼也可以使用語句#pragma pack(i)(i = 1,2,4,8,16)來設置對齊字節數目，vs還可以在項目屬性-配置屬性-c/c++-代碼生成-結構成員對齊設置。

對齊規則

1. 如果設置了內存對齊爲 i 字節，類中最大成員對齊字節數爲j，那麼整體對齊字節n = min(i, j) （某個成員的對齊字節數定義：如果該成員是c++自帶類型如int、char、double等，那麼其對齊字節數=該類型在內存中所佔的字節數；如果該成員是自定義類型如某個class或者struct，那個它的對齊字節數 = 該類型內最大的成員對齊字節數《詳見實例4》）
2. 每個成員對齊規則：類中第一個數據成員放在offset爲0的位置；對於其他的數據成員（假設該數據成員對齊字節數爲k），他們放置的起始位置offset應該是 min(k, n) 的整數倍
3. 整體對齊規則：最後整個類的大小應該是n的整數倍
4. 當設置的對齊字節數大於類中最大成員對齊字節數時，這個設置實際上不產生任何效果（實例2）；當設置對齊字節數爲1時，類的大小就是簡單的把所有成員大小相加

實例分析

我們通過以下幾個實例來分析

實例1：（沒有指定對齊字節，則n = 最大成員（int i）的大小4）

class node
{
    char c;   //放在位置0，位置區間[0]

    int i;      //4 = n, 那麼放置起始位置應該是4的倍數，即4，位置區間爲[4~7]

    short s; //2 < n，那麼放置起始位置應該是2的倍數，即8，位置區間爲[8~9]
}no;

此時成員共佔用[0~9]10個字節，還要整體對齊，大小應該是4的倍數，即12

實例2：（假設指定對齊字節爲8，那麼n = min(8,4) = 4）

class node
{
    int i; //放在位置0，位置區間[0~3]

    char c; //1 < n, 那麼放置起始位置應該是1的倍數，即4，位置區間爲[4]

    short s; //2 < n，那麼放置起始位置應該是2的倍數，即6，位置區間爲[6~7]
}no;

成員共佔據[0~7]8個字節，剛好是4的倍數，因此大小是8
實例3：（假設指定對齊字節是2，則n = min(2,4) = 2）

class node
{
    char c; //放在位置0，位置區間[0]

    int i; //4 > n, 那麼放置起始位置應該是2的倍數，即2，位置區間爲[2~5]

    short s; //2 = n，那麼放置起始位置應該是2的倍數，即6，位置區間爲[6~7]
}no;

此時成員共佔用[0~7]8個字節，剛好是4的倍數，因此大小是8

實例4：（按照默認設置）

class temp 
{ 
    char c; 
    int i; 
    short s1; 
};

由實例1可知，默認對齊情況下，temp的大小是12，temp的對齊字節數是：三個成員取最大的，即爲4；

對於node，n = 其三個成員對齊字節數取最大，即等於t的對齊字節數，也就是 4。

class node
{
    char c; //放在位置0，位置區間[0]

    temp t; //4（temp的對齊字節數） = n, 那麼放置起始位置應該是4的倍數，即4，位置區間爲[4~15]

    short s; //2 < n，那麼放置起始位置應該是2的倍數，即16，位置區間爲[16~17]
}no;

此時成員共佔用[0~17]18個字節，還要整體對齊，大小應該是4的倍數，因此大小是20

實例5：（默然設置）

對於node，n = 其三個成員對齊字節數取最大，即等於d的對齊字節數，也就是 8。

class node
{
    temp t; //放在位置0，位置區間[0~11]

    double d; //8（temp的對齊字節數） = n, 那麼放置起始位置應該是8的倍數，即16，位置區間爲[16~23]

    short s; //2 < n，那麼放置起始位置應該是2的倍數，即24，位置區間爲[24~25]
}no;

此時成員共佔用[0~25]26個字節，還要整體對齊，大小應該是8的倍數，因此大小是32.

類繼承時的內存對齊

class A
{
    int i;
    char c1;
}

class B:public A
{
    char c2;
}

class C:public B
{
    char c3;
}

sizeof(C)結果是多少呢，gcc和vs給出了不同的結果，分別是8、16
gcc中：C相當於把所有成員i、c1、c2、c3當作是在一個class內部，(先繼承後對齊)
vs中：對於A，對齊後其大小是8；對於B，c2加上對齊後的A的大小是9，對齊後就是12；對於C，c3加上對齊後的B大小是13，再對齊就是16 (先對齊後繼承)
關於c++對象繼承後的內存佈局，更詳細的分析可以《深度探索參考c++對象模型》第三章