【C/C++】5.字节对齐和字节填充

字节对齐（alignment）和字节填充（padding）是优化内存访问效率和确保数据结构正确存储的重要机制。

了解字节对齐和填充的原理可以帮助我们更好地设计数据结构，并且减少因不合理的内存布局引起的性能问题或程序错误。

1. 字节对齐（Alignment）

字节对齐是指在内存中存储数据时，将数据放置在满足其大小的倍数地址上。例如，一个4字节的int通常需要放在4字节对齐的地址（如0x00、0x04、0x08等）上。这是因为计算机内存是按照特定字节数访问的，对齐可以提高CPU访问内存的速度。

对齐规则通常为：

• 数据类型的对齐要求是其自身大小的倍数（例如int类型通常4字节，需要4字节对齐）。
• 结构体的总对齐是其中最大成员的对齐大小。

2. 字节填充（Padding）

为了实现对齐，编译器在结构体或类成员之间添加一些空闲字节（填充字节），确保每个成员都位于合适的地址上。填充会影响结构体的大小，使其可能比成员的总大小还大。了解字节填充有助于优化结构体设计，减少内存浪费。

示例代码

#include <iostream>

struct Example { 

　　char a; // 1字节

　　int b; // 4字节

　　short c; // 2字节

};  /* 在字节对齐要求下，编译器会插入填充字节，使int b和short c在对齐的地址上。 */

 

int main() {

　　std::cout << "Size of struct Example: " << sizeof(Example) << " bytes" << std::endl;

　　return 0;

}

运行结果

不同的编译器和硬件环境可能会有不同的输出结果，但大多数情况下会显示struct Example的总大小为8或12字节，而不是成员大小的总和7字节。这是因为：

• • char a之后，插入了3个填充字节，使int b在4字节对齐的地址上。
  • short c之后，可能插入额外的填充字节，使结构体的总大小为4的倍数，符合最大成员int b的对齐要求。

手动控制字节对齐

在不同平台或编译器下，可以通过编译器特定的关键字（如#pragma pack）来控制对齐方式，减少填充字节，但可能会带来性能问题。例如：

#pragma pack(1) // 1字节对齐

struct PackedExample {

　　char a;

　　int b;

　　short c;

};

#pragma pack() // 恢复默认对齐

此时，结构体会按照1字节对齐，避免填充字节，但会影响访问效率。

#pragma pack(n) // 设置对齐方式为 n 字节对齐，n表示对齐大小，可以为1、2、4、8等，常见的值为1和4。

总结

• 字节对齐能提升访问效率，但会导致内存空间浪费。
• 字节填充是编译器为满足对齐要求而自动添加的空闲字节。
• 使用#pragma pack可以调整对齐方式（控制编译器为结构体成员插入的字节填充数量），但需要权衡访问效率和内存占用。在嵌入式开发或内存资源受限的情况下，合理地设置#pragma pack可以显著减少结构体的内存占用。

 

常见对齐设置及适用场景

1. #pragma pack(1)：表示1字节对齐，完全去除填充字节。

   • 适用场景：内存非常紧张的情况，或数据需要精确匹配通信协议格式。
   • 缺点：对齐方式较低，可能导致CPU访问不便，降低性能。

2. #pragma pack(2)、#pragma pack(4)、#pragma pack(8)：表示2字节、4字节或8字节对齐。

   • 适用场景：一般用于普通内存场景，合理设置对齐大小可以在性能和空间效率之间找到平衡。
   • 选择方法：如果结构体中存在较大数据类型（如double），可以选择4或8字节对齐，减少填充字节的同时保证访问效率。

3. 默认对齐：不使用#pragma pack，则采用编译器默认对齐方式（通常是最大成员大小）。

   • 适用场景：对内存占用不敏感的应用，或性能要求较高的情况。

注意事项

• 跨平台性：不同编译器的默认对齐方式可能不同，如果需要在多平台上运行，需谨慎使用。
• 访问效率：较低的对齐方式会导致内存访问效率降低，可能出现性能下降问题。
• 恢复默认设置：在完成特殊结构体的定义后，及时使用#pragma pack()恢复默认对齐，避免影响后续代码。