关于内存对齐详细解释

http://www.pianshen.com/article/5293272183/

什么是内存对齐？

    在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时，并不是简单地将结构体中所有元素各自的空间相加，这里涉及到内存对齐的问题。访问未对齐的内存，处理器需要访问两次（数据先读高位再读低位然后进行拼接），而访问对齐的内存，只需要一次。为了提高效率，所以进行内存对齐。windows的默认对齐数是8，linux中默认对齐数为4.

为什么会产生内存对齐的原因？

1.平台原因：

某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据。不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，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：

（1）数据结构（尤其是栈）应该尽可能在自然边界上对齐。

（2）为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存仅需要访问一次。(CPU在读取内存的时候是一块一块进行读取的，块的大小称为（memory granularity）内存读取粒度)

 

编译器是怎样进行内存对齐的优化的？

    在内存中，编译器按照成员列表顺序分别为每个结构体变量成员分配内存，在存储过程中需要满足边界对齐要求时，编译器会在成员之间留下额外的内存空间。

    结构体或联合体的数据成员、第一个成员放到0编译地方，以后每个数据成员放到自身对齐的整数倍偏移处。（结构体大小必须是最大对齐数的整数倍）。

 

字节对齐可以程序控制，采用指令：

#pragma pack(1)//1字节对齐

#pragma pack(2)//2字节对齐

#pragma pack(4)//4字节对齐

#pragma pack(8)//8字节对齐

 

举个栗子：

struct A{

    char     c;

    double d;

    short     s;

    int         i;

}

当系统以8字节对齐时

 

程序验证一下：

1.  
   #pragma pack(8)
2.  
   #include<iostream>
3.  
   #include<cstdio>
4.  
    
5.  
   struct A
6.  
   {
7.  
   char c;
8.  
   double d;
9.  
   short s;
10.  
    int i;
11.  
    };
12.  
    int main()
13.  
    {
14.  
    struct A a;
15.  
    printf("A所占大小为%d字节\n",sizeof(struct A));
16.  
     
17.  
    return 0;
18.  
    }

 

我们再来看看为什么内存不对齐会影响读取速度？
假设CPU要读取一个4字节大小的数据到寄存器中（假设内存读取粒度是4），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

解析：当数据从0字节开始的时候，直接将0-3四个字节完全读取到寄存器，结算完成了。=
当数据从1字节开始的时候，问题很复杂，首先先将前4个字节读到寄存器，并再次读取4-7字节的数据进寄存器，接着把0字节，4,6,7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寄存器进行了这么多额外操作，大大降低了CPU的性能。但是这还属于乐观情况，上文提到内存对齐的作用之一是平台的移植原因，因为只有部分CPU肯干，其他部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。