内存对齐的讲解

来源自：http://www.cppblog.com/snailcong/archive/2009/03/16/76705.html

程序说明一切：

//环境：vc6 + windows sp2
//程序1
#include <iostream>

using namespace std;

struct st1 
{
	char a ;
	int  b ;
	short c ;
};

struct st2
{
	short c ;
	char  a ;
	int   b ;
};

int main()
{
	cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
	cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
	return 0 ;
}

　程序的输出结果为：

 sizeof(st1) is 12

         sizeof(st2) is 8 

程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后，结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前，先来看下内存对齐的规则：

1、  对于结构的各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、  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。

 

内存对齐的主要作用是：

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：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

 

图一：

这是普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成，而CPU并不是这么看待的。

 

图二：

CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16字节大小，因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity（粒度） 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

 

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

 

再次假设内存读取粒度为4。

 

图三：

当该数据是从0字节开始时，很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

    当该数据是从1字节开始时，问题变的有些复杂，此时该int型数据不是位于内存读取边界上，这就是一类内存未对齐的数据。

 

图四：

 

此时CPU先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了CPU性能。

    这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

 

图片来自：Data alignment: Straighten up and fly right 

如大家对内存对齐对性能的具体影响情况，可以参考上文。

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐