C/C++内存对齐详解

struct/class/union内存对齐原则有四个：

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，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小或者成员的子成员大小（只要该成员有子成员，比如说是数组，结构体等）的整数倍开始(比如int在３２位机为４字节, 则要从４的整数倍地址开始存储),基本类型不包括struct/class/uinon。

2).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"最宽基本类型成员"的整数倍地址开始存储.(struct a里存有struct b,b里有char,int ,double等元素,那b应该从8的整数倍开始存储.)。

3).收尾工作:结构体的总大小,也就是sizeof的结果,.必须是其内部最大成员的"最宽基本类型成员"的整数倍.不足的要补齐.(基本类型不包括struct/class/uinon)。

4).sizeof(union)，以结构里面size最大元素为union的size,因为在某一时刻，union只有一个成员真正存储于该地址。

class BigData
{
    char array[33];
};
 
class Data
{
    BigData bd;
    int integer;
    double d;
};
 
cout << sizeof(BigData) << "   " << sizeof(Data) << endl;

class BigData
{
    char array[33];
};
 
class Data
{
    BigData bd;
    double d;
};
 
cout << sizeof(BigData) << "   " << sizeof(Data) << endl;

 No.5和No.6运行结果均为： 48

在默认条件下，内存对齐是以class中最大的那个基本类型为基准的，如果class中有自定义类型，则递归的取其中最大的基本类型来参与比较。在No.5和No.6中内存块一个接一个的过来接走数据成员，一直到第5块的时候，BigData里只剩1个char了，将它放入内存块中，内存块还剩7个bytes，接下来是个int（4bytes），能够放下，所以也进入第5个内存块，这时候内存块还剩3bytes，而接下来是个double（8bytes），放不下，所以要等下一个内存快到来。因此，No.5的Data的size=33+4+（3）+8=48，同理No.6应该是33+（7）+8=48。

 

顺便提一下Union： 共用体表示几个变量共用一个内存位置，在不同的时间保存不同的数据类型和不同长度的变量。在union中，所有的共用体成员共用一个空间，并且同一时间只能储存其中一个成员变量的值。

1、什么是内存对齐

还是用一个例子带出这个问题，看下面的小程序，理论上，32位系统下，int占4byte，char占一个byte，那么将它们放到一个结构体中应该占4+1=5byte；但是实际上，通过运行程序得到的结果是8 byte，这就是内存对齐所导致的。

//32位系统
#include<stdio.h>
struct{
    int x;
    char y;
}s;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(s);  // 输出8
    return 0;
}

 

现代计算机中内存空间都是按照 byte 划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但是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。

2、为什么要进行内存对齐

尽管内存是以字节为单位，但是大部分处理器并不是按字节块来存取内存的.它一般会以双字节,四字节,8字节,16字节甚至32字节为单位来存取内存，我们将上述这些存取单位称为内存存取粒度.

现在考虑4字节存取粒度的处理器取int类型变量（32位系统），该处理器只能从地址为4的倍数的内存开始读取数据。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器.这需要做很多工作.

现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

3、内存对齐规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”（也叫对齐模数）。gcc中默认#pragma pack(4)，可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n = 1,2,4,8,16来改变这一系数。

有效对其值：是给定值#pragma pack(n)和结构体中最长数据类型长度中较小的那个。有效对齐值也叫对齐单位。

了解了上面的概念后，我们现在可以来看看内存对齐需要遵循的规则：

(1) 结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。

(3) 结构体的总大小为 有效对齐值 的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

下面给出几个例子以便于理解：

//32位系统
#include<stdio.h>
struct
{
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}x1;

struct{
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}x2;

struct{
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}x3;

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(x1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(x2));  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(x3));  // 输出8
    return 0;
}

以上测试都是在Linux环境下进行的，linux下默认#pragma pack(4)，且结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节，下面根据上面所说的规则以s2来分析其内存布局：

首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；

sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；

sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

s2中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

根据上面的分析，不难得出上面例子三个结构体的内存布局如下：

#pragma pack(n)

不同平台上编译器的 pragma pack 默认值不同。而我们可以通过预编译命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16来改变对齐系数。

例如，对于上个例子的三个结构体，如果前面加上#pragma pack(1)，那么此时有效对齐值为1字节，此时根据对齐规则，不难看出成员是连续存放的，三个结构体的大小都是6字节。

如果前面加上#pragma pack(2)，有效对齐值为2字节，此时根据对齐规则，三个结构体的大小应为6,8,6。内存分布图如下：

经过上面的实例分析，大家应该对内存对齐有了全面的认识和了解，在以后的编码中定义结构体时需要考虑成员变量定义的先后顺序了。

原文链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/30007037