C语言中的内存对齐

摘自《C语言深度剖析》3.6.8

什么是内存对齐？
先看下面的结构：

struct TestStruct1
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的，假设c1 的地址是0，那么s 的地址就应该是1，c2 的地址就是3，i 的地址就是4。也就是c1 地址为00000000, s 地址为00000001, c2地址为00000003, i 地址为00000004。

可是，我们在Visual C++6.0 中写一个简单的程序：

struct TestStruct1 a;

printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
    (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
    (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
    (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
    (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

运行，输出：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
为什么会这样？这就是内存对齐而导致的问题。

为什么会有内存对齐？
字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被4 整除的地址，和可以被8 整除的地址。）无论如何，为了提高程序的性能，数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。一个字或双字操作数跨越了4 字节边界，或者一个四字操作数跨越了8 字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常。双四字的自然边界是能够被16 整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

缺省情况下，编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此，上面的程序输
出就变成了：c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。编译器将未对齐的成员向后移，将每一个都成员对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员之间有部分内存空闲），但提高了性能。也正是这个原因，我们不可以断言sizeof(TestStruct1)的结果为8。在这个例子中，sizeof(TestStruct1)的结果为12。

如何避免内存对齐的影响
那么，能不能既达到提高性能的目的，又能节约一点空间呢？有一点小技巧可以使用。
比如我们可以将上面的结构改成：

struct TestStruct2
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中，sizeof(TestStruct2)的值为8。这个技巧有一个重要的作用，尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变，从而造成这个结构在你的发行的DLL 中使用某种对齐方式，而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。

比如，TestStruct1 结构，我们的DLL 使用默认对齐选项，对齐为c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同时sizeof(TestStruct1)的值为12。而第三方将对齐选项关闭，导致c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同时sizeof(TestStruct1)的值为8。

除此之外我们还可以利用#pragma pack（）来改变编译器的默认对齐方式（当然一般编译器
也提供了一些改变对齐方式的选项，这里不讨论）。
使用指令#pragma pack (n)，编译器将按照n 个字节对齐。
使用指令#pragma pack ()，编译器将取消自定义字节对齐方式。
在#pragma pack (n)和#pragma pack ()之间的代码按n 个字节对齐。

最小对齐规则
但是，成员对齐有一个重要的条件,即每个成员按自己的方式对齐.也就是说虽然指定了按n 字节对齐,但并不是所有的成员都是以n 字节对齐。其对齐的规则是,每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里是n 字节)中较小的一个对齐，即：min( n, sizeof( item )) 。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍,不够就补空字节。看如下例子：

#pragma pack(8)
struct TestStruct4
{
    char a;
    long b;
};

struct TestStruct5
{
    char c;
    TestStruct4 d;
    long long e;
};
#pragma pack()

问题：
A),sizeof(TestStruct4) = ?
B), TestStruct5 的c 后面空了几个字节接着是d?

TestStruct4 中,成员a 是1 字节默认按1 字节对齐,指定对齐参数为8,这两个值中取1,a按1 字节对齐;成员b 是4 个字节,默认是按4 字节对齐,这时就按4 字节对齐,所以sizeof(TestStruct4)应该为8;

TestStruct5 中,c 和TestStruct4 中的a 一样,按1 字节对齐,而d 是个结构,它是8 个字节,它按什么对齐呢?对于结构来说,它的默认对齐方式就是它的所有成员使用的对齐参数中最大的一个, TestStruct4 的就是4.所以,成员d 就是按4 字节对齐.成员e 是8 个字节,它是默认按8字节对齐,和指定的一样,所以它对到8 字节的边界上,这时,已经使用了12 个字节了,所以又添加了4 个字节的空,从第16 个字节开始放置成员e.这时,长度为24,已经可以被8(成员e 按8字节对齐)整除.这样,一共使用了24 个字节.内存布局如下（*表示空闲内存，1 表示使用内存。单位为1byete）：
a b TestStruct4 的内存布局：1***,1111,
c TestStruct4.a TestStruct4.b d TestStruct5 的内存布局： 1***, 1***, 1111, ****，11111111

这里有三点很重要:
首先，每个成员分别按自己的方式对齐,并能最小化长度。
其次，复杂类型(如结构)的默认对齐方式是它最长的成员的对齐方式,这样在成员是复杂
类型时,可以最小化长度。
然后，对齐后的长度必须是成员中最大的对齐参数的整数倍,这样在处理数组时可以保证每一项都边界对齐。

补充一下,对于数组,比如:char a[3];它的对齐方式和分别写3 个char 是一样的.也就是说
它还是按1 个字节对齐.如果写: typedef char Array3[3]; Array3 这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐,而不是按它的长度。

但是不论类型是什么,对齐的边界一定是1,2,4,8,16,32,64....中的一个。
另外，注意别的#pragma pack 的其他用法：
#pragma pack(push) //保存当前对其方式到packing stack
#pragma pack(push,n) 等效于
#pragma pack(push)
#pragma pack(n) //n=1,2,4,8,16 保存当前对齐方式，设置按n 字节对齐
#pragma pack(pop) //packing stack 出栈，并将对齐方式设置为出栈的对齐方__