【C++编程】字节对齐（内存对齐）
数据对齐
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，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）硬件原因：经过内存对齐之后，CPU的内存访问速度大大提升。
1. 对齐原则：
【原则1】数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
【原则2】结构(或联合)的整体对齐规则：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。
【原则3】结构体作为成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。
备注：数组成员按长度按数组类型长度计算，如char t[9],在第1步中数据自身长度按1算，累加结构体时长度为9；第2步中，找最大数据长度时，如果结构体T有复杂类型成员A，该A成员的长度为该复杂类型成员A的最大成员长度。
小结：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。
【注意】（对齐位数跟处理器位数和编译器都有关）VS, VC等编译器默认是#pragma pack(8)，所以测试我们的规则会正常；注意gcc默认是#pragma pack(4)，并且gcc只支持1,2,4对齐。套用三原则里计算的对齐值是不能大于#pragma pack指定的n值。
2. 自然对齐：存放变量的地址要是该变量数据类型大小的整数倍。如：存放int型数据的地址一定要是4的倍数，存放short型数据的地址一定要是2的倍数。
3. 改变缺省的对界条件(指定对界)：
- 使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
- 使用伪指令#pragma pack（），取消自定义字节对齐方式。
举例一
例1：
#pragma pack(1)
struct AA
{
int a; //长度4 < 1 按1对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 > 1 按1对齐；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
char d; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为6；存放位置区间[7]
//整体存放在[0~7]位置区间中，共八个字节。
};
#pragma pack()#pragma pack(1)
struct AA
{
int a; //长度4 < 1 按1对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 > 1 按1对齐；偏移量为5；存放位置区间[5,6]
char d; //长度1 = 1 按1对齐；偏移量为6；存放位置区间[7]
//整体存放在[0~7]位置区间中，共八个字节。
};
#pragma pack()
结果：8个字节
例2：
#pragma pack(2)
struct AA
{
int a; //长度4 > 2 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 = 2 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
char d; //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节
};
#pragma pack()
结果：10个字节
例3：
#pragma pack(4)
struct AA
{
int a; //长度4 = 4 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 < 4 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
char d; //长度1 < 4 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；总大小为9
};
#pragma pack()
结果：12个字节
例4：
#pragma pack(8)
struct AA
{
int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]
char d; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]，总大小为9
};
#pragma pack()
结果：12个字节
例5：
struct EE //8个字节对齐
{
int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]
char b; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]
short c; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量由5提升到6；存放位置区间[6,7]
struct FF //结构体内部最大元素为int,由于偏移量为8刚好是4的整数倍，所以从8开始存放接下来的struct FF
{
int a1; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
char b1; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为12；存放位置区间[12]
short c1; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为13,提升到2的倍数14；存放位置区间[14,15]
char d1; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为16；存放位置区间[16]
}; //整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由17补齐到4的整数倍20
char d; //长度1 < 8 按1对齐；偏移量为21；存放位置区间[21]
//整体对齐系数 = min((max(int,short,char), 8) = 4，将内存大小由21补齐到4的整数倍24
};
struct B
{
char e[2]; //长度1 < 8 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,1]
short h; //长度2 < 8 按2对齐；偏移量为2；存放位置区间[2,3]
//结构体内部最大元素为double,偏移量为4，提升到8，所以从8开始存放接下来的struct A
struct A
{
int a; //长度4 < 8 按4对齐；偏移量为8；存放位置区间[8,11]
double b; //长度8 = 8 按8对齐；偏移量为12，提升到16；存放位置区间16,23]
float c; //长度4 < 8,按4对齐；偏移量为24，存放位置区间[24,27]
};
//整体对齐系数 = min((max(int,double,float), 8) = 8，将内存大小由28补齐到8的整数倍32
};
举例二
代码1：
#include
typedef struct
{
int aa1; //4个字节对齐 1111
char bb1; //1个字节对齐 1
short cc1; //2个字节对齐 011
char dd1; //1个字节对齐 1
}testlength1;
int length1 = sizeof (testlength1); //4个字节对齐，占用字节1111 1011 1000,length = 12
typedef struct
{
char bb2; //1个字节对齐 1
int aa2; //4个字节对齐 01111
short cc2; //2个字节对齐 11
char dd2; //1个字节对齐 1
}
testlength2;
int length2 = sizeof (testlength2); //4个字节对齐，占用字节1011 1111 1000,length = 12
typedef struct
{
char bb3; //1个字节对齐 1
char dd3; //1个字节对齐 1
int aa3; //4个字节对齐 001111
short cc23; //2个字节对齐 11
}testlength3;
int length3 = sizeof (testlength3); //4个字节对齐，占用字节1100 1111 1100,length = 12
typedef struct
{
char bb4; //1个字节对齐 1
char dd4; //1个字节对齐 1
short cc4; //2个字节对齐 11
int aa4; //4个字节对齐 1111
} testlength4;
int length4 = sizeof (testlength4); //4个字节对齐，占用字节1111 1111,length = 8
int main( void )
{
printf ( "length1 = %d.\n" ,length1);
printf ( "length2 = %d.\n" , length2);
printf ( "length3 = %d.\n" , length3);
printf ( "length4 = %d.\n" , length4);
return 0;
}
VS2017输出结果：
代码2：
#include
#pragma pack(2)
typedef struct
{
int aa1; //2个字节对齐 1111
char bb1; //1个字节对齐 1
short cc1; //2个字节对齐 011
char dd1; //1个字节对齐 1
} testlength1;
int length1 = sizeof (testlength1); //2个字节对齐，占用字节11 11 10 11 10,length = 10
typedef struct
{
char bb2; //1个字节对齐 1
int aa2; //2个字节对齐 01111
short cc2; //2个字节对齐 11
char dd2; //1个字节对齐 1
} testlength2;
int length2 = sizeof (testlength2); //2个字节对齐，占用字节10 11 11 11 10,length = 10
typedef struct
{
char bb3; //1个字节对齐 1
char dd3; //1个字节对齐 1
int aa3; //2个字节对齐 11 11
short cc23; //2个字节对齐 11
}testlength3;
int length3 = sizeof (testlength3); //2个字节对齐，占用字节11 11 11 11,length = 8
typedef struct
{
char bb4; //1个字节对齐 1
char dd4; //1个字节对齐 1
short cc4; //2个字节对齐 11
int aa4; //2个字节对齐 11 11
}testlength4;
int length4 = sizeof (testlength4); //2个字节对齐，占用字节11 11 11 11,length = 8
int main( void )
{
printf( "length1 = %d.\n" , length1);
printf( "length2 = %d.\n" , length2);
printf( "length3 = %d.\n" , length3);
printf( "length4 = %d.\n" , length4);
return 0;
}
VS2017输出结果：
代码3：
#include
using namespace std;
typedef struct bb
{
int id; //[0]....[3]
double weight; //[8].....[15] 原则１
float height; //[16]..[19],总长要为８的整数倍,补齐[20]...[23] 原则３
}BB;
typedef struct aa
{
char name[2]; //[0],[1]
int id; //[4]...[7] 原则１
double score; //[8]....[15]
short grade; //[16],[17]
BB b; //[24]......[47] 原则２
}AA;
int main()
{
AA a;
cout << sizeof (a) << " " << sizeof (BB) << endl;
return 0;
}
VS2017输出结果： 48 24
代码4:
#include
using namespace std;
#pragma pack(2)
typedef struct bb
{
int id;
double weight;
float height;
}BB;
typedef struct aa
{
char name[2];
int id;
double score;
short grade;
BB b;
}AA;
int main()
{
AA a;
cout << sizeof (a) << " " << sizeof (BB) << endl;
return 0;
}
VS2017输出结果：32 16
参考资料
1. ５分钟搞定内存字节对齐
2. 快速理解字节对齐问题
3. 关于面试题中结构体内存对齐计算总结
