理解字节对齐

理解字节对齐

1.什么是字节对齐？

  现代计算机中，内存空间按照字节划分，理论上可以从任何起始地址访问任意类型的变量。但实际中在访问特定类型变量时经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序一个接一个地存放，这就是对齐。

  变量存的起始地址必须具备某些特性----“对齐”，比如4字节的int型,其起始地址应该位于4字节的边界上，即起始地址能够被4整除。

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  对齐跟数据在内存中的位置有关。为了使得CPU能快速对变量进行访问，变量存的起始地址必须具备某些特性，即“对齐”，比如4字节的int型,其起始地址应该位于4字节的边界上,即起始地址能够被4整除。====>>>>cpu类型，编译器类型。

2.为什么要字节对齐

①首先，不同硬件平台对存储空间的处理上存在不同；

  某些平台对特定类型的数据只能从特定地址开始存取，而不允许其在内存中任意存放。例如，Motorola 68000 处理器不允许16位的字存放在奇地址，否则会触发异常，因此在这种架构下编程必须保证字节对齐。

②根本原因在于CPU访问数据的效率问题；

  以32位机为例，它每次取32个位，也就是4个字节。以int型数据为例，如果它在内存中存放的位置按4字节对齐，也就是说1个int的数据全部落在计算机一次取数的区间内，那么只需要取一次就可以了。如图2-1。如果不对齐，很不巧，这个int数据刚好跨越了取数的边界，这样就需要取两次才能把这个int的数据全部取到，如图2-2，这样效率也就降低了。

 

③其次节约空间。

  应该辩证地看：合理对齐，则节约空间；否则浪费空间。如下例：

 

  结构体TEST1中包含一个4字节的int数据，一个1字节char数据和一个2字节short数据；TEST2也一样。按理说TEST1和TEST2的大小应该都是7字节。之所以出现上述结果，就是因为编译器要对数据成员在空间上进行对齐。

3.如何对齐

3.1 标准类型（基本数据类型）：

  基本类型包括char、int、float、double、short、long等基本数据类型。
  对齐要求：起始地址为其长度的整数倍即可。如，int类型的变量起始地址要求为4的整数倍。

3.2 数组：

  按照基本数据类型对齐，第一个对齐了后面的自然也就对齐了。

3.3 结构体

  成员可以为：基本类型，复合类型（基本类型、数组、结构、联合、函数指针）
  结构体中每个数据类型都要对齐，对齐值为其成员中自身对齐值最大的那个值。

 

 

3.4 联合体

  联合体的内存除了取最大成员内存外，还要保证是所有成员类型size的最小公倍数。

       当然只取最大的int数组的大小12没错，但是double是8字节的，而此时联合体已经按int的4字节对齐了，所以还要额外多加4字节的内存来保证8的倍数。所以最后结果是16。

  所以联合体的内存除了取最大成员内存外，还要保证是所有成员类型size的最小公倍数

3.5 指定对齐方式

   #pragma pack(n)   //设置n字节对齐
  #pragma pack()   //取消自定义字节对齐方式

  以n和结构体中最长的成员的长度中较小者为其值。

  __attribute((aligned (n))) //设置n字节对齐
  attribute ((packed))   //设置1字节对齐
  （gcc特性）

  让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。

   微软的  __alignof( type )

  如：
    typedef __declspec(align(32)) struct { int a; } S;
    _alignof(S) 等于 32

总结：
  ①基本类型：自身对齐
  ②数组：
  ③联合：成员最大对齐值，公倍数；
  ④结构体：其成员中自身对齐值最大的那个值。
  ⑤指定对齐方式：
    #pragma pack (n)和pragma pack ()；
    attribute((aligned(n)))和__attribute__((packed))。
  ⑥数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}；注意_attribute__。