关于内存对齐

一.内存对齐的初步讲解

内存对齐可以用一句话来概括：

“数据项只能存储在地址是数据项大小的整数倍的内存位置上”

例如int类型占用4个字节，地址只能在0，4，8等位置上。

例1：

#include <stdio.h>
struct xx{
        char b;
        int a;
        int c;
        char d;
};

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p/n", &bb.a);
        printf("&b = %p/n", &bb.b);
        printf("&c = %p/n", &bb.c);
        printf("&d = %p/n", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d/n", sizeof(struct xx));

        return 0;
}

执行结果如下：

&a = ffbff5ec
&b = ffbff5e8
&c = ffbff5f0
&d = ffbff5f4
sizeof(xx) = 16

会发现b与a之间空出了3个字节，也就是说在b之后的0xffbff5e9,0xffbff5ea,0xffbff5eb空了出来，a直接存储在了0xffbff5ec， 因为a的大小是4，只能存储在4个整数倍的位置上。打印xx的大小会发现，是16，有些人可能要问，b之后空出了3个字节，那也应该是13啊？其余的3个 呢？这个往后阅读本文会理解的更深入一点，这里简单说一下就是d后边的3个字节，也会浪费掉，也就是说，这3个字节也被这个结构体占用了.

可以简单的修改结构体的结构，来降低内存的使用，例如可以将结构体定义为：
struct xx{
        char b; 
        char d;
        int a;          
        int c;                  
};

这样打印这个结构体的大小就是12，省了很多空间，可以看出，在定义结构体的时候，一定要考虑要内存对齐的影响，这样能使我们的程序占用更小的内存。

二.操作系统的默认对齐系数

每 个操作系统都有自己的默认内存对齐系数，如果是新版本的操作系统，默认对齐系数一般都是8，因为操作系统定义的最大类型存储单元就是8个字节，例如 long long定要这样，不存在超过8个字节的类型（例如int是4，char是1，long在32位编译时是4，64位编译时是 8）。当操作系统的默认对齐系数与第一节所讲的内存对齐的理论产生冲突时，以操作系统的对齐系数为基准。（例如 操作系统默认的对齐系数为 4 ， 那么char类型的数据就只能存在0 ， 4 ，8 等4的倍数地址上； 假设操作系统的默认对齐系数是4，那么对与long long这个类型的变量就不满足第一节所说的，也就是说long long这种结构，可以存储在被4整除的位置上，也可以存储在被8整除的位置上。）

可以通过#pragma pack()语句修改操作系统的默认对齐系数，

例2：

#include <stdio.h>
#pragma pack(4)
struct xx{
        char b;
        long long a;
        int c;
        char d;
};
#pragma pack()

int main()
{
        struct xx bb;
        printf("&a = %p/n", &bb.a);
        printf("&b = %p/n", &bb.b);
        printf("&c = %p/n", &bb.c);
        printf("&d = %p/n", &bb.d);
        printf("sizeof(xx) = %d/n", sizeof(struct xx));

        return 0;
}
打印结果为：

&a = ffbff5e4
&b = ffbff5e0
&c = ffbff5ec
&d = ffbff5f0
sizeof(xx) = 20

发现占用8个字节的a，存储在了不能被8整除的位置上，存储在了被4整除的位置上，采取了操作系统的默认对齐系数。

三.内存对齐产生的原因

 

内存对齐是操作系统为了快速访问内存而采取的一种策略，简单来说，就是为了放置变量的二次访问。操作系统在访问内存 时，每次读取一定的长度（这个长度就是操作系统的默认对齐系数，或者是默认对齐系数的整数倍）。如果没有内存对齐时，为了读取一个变量是，会产生总线的二 次访问。

例如假设没有内存对齐，结构体xx的变量位置会出现如下情况：

struct xx{
        char b;         //0xffbff5e8
        int a;            //0xffbff5e9       
        int c;             //0xffbff5ed      
        char d;         //0xffbff5f1
};

操作系统先读取0xffbff5e8-0xffbff5ef的内存，然后在读取0xffbff5f0-0xffbff5f8的内存，为了获得值c，就需要将两组内存合并，进行整合，这样严重降低了内存的访问效率。（这就涉及到了老生常谈的问题，空间和效率哪个更重要？这里不做讨论）。

这样大家就能理解为什么结构体的第一个变量，不管类型如何，都是能被8整除的吧（因为访问内存是从8的整数倍开始的，为了增加读取的效率）！

 

内存对齐的问题主要存在于理解struct等复合结构在内存中的分布。

首先要明白内存对齐的概念。
许多实际的计算机系统对基本类型数据在内存中存放的位置有限制，它们会要求这些数据的首地址的值是某个数k(通常它为4或8)的倍数，这就是所谓的内存对齐。

这个k在不同的cpu平台下，不同的编译器下表现也有所不同。比如32位字长的计算机与16位字长的计算机。我们的开发主要涉及两大平台，windows和linux（unix），涉及的编译器也主要是microsoft编译器(如cl),和gcc。

内存对齐的目的是使各个基本数据类型的首地址为对应k的倍数，这是理解内存对齐方 式的终极法宝。另外还要区分编译器的分别。明白了这两点基本上就能搞定所有内存对齐方面的问题。

不同编译器中的k：
1、对于microsoft的编译器，每种基本类型的大小即为这个k。大体上char类型为8，int为32，long为32，double为64。
2、对于linux下的gcc编译器，对于大于等于4字节的成员的起始 位置应该处在4字节的整数倍上，对于2字节成员的起始位置应该处在2字节的整数倍上，1字节的起始位置任意。

明白了以上的说明对struct等复合结构的内存分布就应该很清楚了。

下面看一下最简单的一个类型：struct中成员都为基本数据类型，例如：
struct test1
{
char a;
short b;
int c;
long d;
double e;
};

在windows平台，microsoft编译器下：

假设从0地址开始，首先a的k值为1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一个字节，即地址0；然后b的k值为2，他的首地址必须是2的倍数，不能是1，所以地址1那个字节被填充，b首地址为地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值为4，他的首地址为4的倍数，所以首地址为4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也为4，所以他的首地址为8，占用地址8，9，10，11。最后到e，他的k值为8，首地址为8的倍数，所以地址12，13，14，15被填充，他的首地址应为16，占用地址16-23。显然其大小为24。

在linux平台，gcc编译器下：
假设从0地址开始，首先a的k值为1，它的首地址可以使任意位置，所以a占用第一个字节，即地址0；然后b的k值为2，他的首地址必须是2的倍数，不能是1，所以地址1那个字节被填充，b首地址为地址2，占用地址2，3；然后到c，c的k值为4，他的首地址为4的倍数，所以首地址为4，占用地址4，5，6，7；再然后到d，d的k值也为4，所以他的首地址为8，占用地址8，9，10，11。最后到e，从这里开始与microsoft的编译器开始有所差异，他的k值为不是8，仍然是4，所以其首地址是12，占用地址12-19。显然其大小为20。

接下来，看一看几类特殊的情况，为了避免麻烦，不再描述内存分布，只计算结构大小。

第一种：嵌套的结构

struct test2
{
char f;
struct test1 g;
};

在windows平台，microsoft编译器下：

这种情况下如果把test2的第二个成员拆开来，研究内存分布，那么可以知道，test2的成员f占用地址0，g.a占用地址1，以后的内存分布不变，仍然满足所有基本数据成员的首地址都为其对应k的倍数这一原则，那么test2的大小就还是24了。但是实际上test2的大小为32，这是因为：不能因为test2的结构而改变test1的内存分布情况，所以为了使test1种各个成员仍然满足对齐的要求，f成员后面需要填充一定数量的字节，（可能是windows默认的对齐系数为8 ， 所以struct需要从8的倍数开始存储，因为对于结构体，它的大小应该是编译器最大对齐模数的整数倍））不难发现，这个数量应为7个，才能保证test1的对齐。所以test2相对于test1来说增加了8个字节，所以test2的大小为32。

在linux平台，gcc编译器下：

同样，这种情况下如果把test2的第二个成员拆开来，研究内存分布，那么可以知道，test2的成员f占用地址0，g.a占用地址1，以后的内存分布不变，仍然满足所有基本数据成员的首地址都为其对应k的倍数这一原则，那么test2的大小就还是20了。但是实际上test2的大小为24，同样这是因为：不能因为test2的结构而改变test1的内存分布情况，所以为了使test1种各个成员仍然满足对齐的要求，f成员后面需要填充一定数量的字节（估计是因为Linux的默认对齐系数为4 ， 所以struct成员需要从4 的倍数开始存储，因为对于结构体，它的大小应该是编译器最大对齐模数的整数倍），不难发现，这个数量应为3个，才能保证test1的对齐。所以test2相对于test1来说增加了4个字节，所以test2的大小为24。

 

 

关于嵌套的struct的存储仍然不明白， 待以后更改。

原文地址 ：   http://www.cnblogs.com/kex1n/archive/2009/06/16/2286527.html