转：内存对齐的规则以及作用

内存对齐的规则以及作用

在我们的程序中，数据结构还有变量等等都需要占有内存，在很多系统中，它都要求内存分配的时候要对齐，这样做的好处就是可以提高访问内存的速度。

首先由一个程序引入话题：

1 //环境：vc6 + windows sp2

2 //程序1

3 #include <iostream>

4

5 using namespace std;

6

7 struct st1

8 {

9 char a ;

10 int b ;

11 short c ;

12 };

13

14 struct st2

15 {

16 short c ;

17 char a ;

18 int b ;

19 };

20

21 int main()

22 {

23 cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;

24 cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;

25 return 0 ;

26 }

27
程序的输出结果为：

sizeof(st1) is 12

sizeof(st2) is 8

问题出来了，这两个一样的结构体，为什么sizeof的时候大小不一样呢？

本文的主要目的就是解释明白这一问题。

内存对齐，正是因为内存对齐的影响，导致结果不同。

对于大多数的程序员来说，内存对齐基本上是透明的，这是编译器该干的活，编译器为程序中的每个数据单元安排在合适的位置上，从而导致了相同的变量，不同声明顺序的结构体大小的不同。

那么编译器为什么要进行内存对齐呢？程序1中结构体按常理来理解sizeof(st1)和sizeof(st2)结果都应该是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。经过内存对齐后，结构体的空间反而增大了。

在解释内存对齐的作用前，先来看下内存对齐的规则：

1、 对于结构的各个成员，第一个成员位于偏移为0的位置，以后每个数据成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) 的倍数。

2、 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。

#pragma pack(n) 表示设置为n字节对齐。 VC6默认8字节对齐

以程序1为例解释对齐的规则 ：

St1 ：char占一个字节，起始偏移为0 ，int 占4个字节，min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员的自身长度) = 4（VC6默认8字节对齐），所以int按4字节对齐，起始偏移必须为4的倍数，所以起始偏移为4，在char后编译器会添加3个字节的额外字节，不存放任意数据。short占2个字节，按2字节对齐，起始偏移为8，正好是2的倍数，无须添加额外字节。到此规则1的数据成员对齐结束，此时的内存状态为：

oxxx|oooo|oo

0123 4567 89 （地址）

（x表示额外添加的字节）

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐，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，st1结构中最大数据成员长度为int，占4字节，而默认的#pragma pack 指定的值为8，所以结果本身按照4字节对齐，结构总大小必须为4的倍数，需添加2个额外字节使结构的总大小为12 。此时的内存状态为：

oxxx|oooo|ooxx

0123 4567 89ab （地址）

到此内存对齐结束。St1占用了12个字节而非7个字节。

St2 的对齐方法和st1相同，读者可自己完成。

内存对齐的主要作用是：

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的；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、 性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。具体原因稍后解释。

图一：



这是普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成，而CPU并不是这么看待的。

图二：



CPU把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16字节大小，因此CPU在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为memory access granularity（粒度） 本人把它翻译为“内存读取粒度” 。

假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：

1、数据从0字节开始

2、数据从1字节开始

再次假设内存读取粒度为4。

图三：



当该数据是从0字节开始时，很CPU只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。

当该数据是从1字节开始时，问题变的有些复杂，此时该int型数据不是位于内存读取边界上，这就是一类内存未对齐的数据。

图四：



此时CPU先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了CPU性能。

这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分CPU肯干，其他一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

图片来自：Data alignment: Straighten up and fly right

如大家对内存对齐对性能的具体影响情况，可以参考上文。

====================================================================================================================

画图解析 更清晰

我们还是先来看一段简单的程序：

程序一

1 #include <iostream>

2 using namespace std;

3

4 struct X1

5 {

6 int i;//4个字节

7 char c1;//1个字节

8 char c2;//1个字节

9 };

10

11 struct X2

12 {

13 char c1;//1个字节

14 int i;//4个字节

15 char c2;//1个字节

16 };

17

18 struct X3

19 {

20 char c1;//1个字节

21 char c2;//1个字节

22 int i;//4个字节

23 };

24 int main()

25 {

26 cout<<"long "<<sizeof(long)<<"\n";

27 cout<<"float "<<sizeof(float)<<"\n";

28 cout<<"int "<<sizeof(int)<<"\n";

29 cout<<"char "<<sizeof(char)<<"\n";

30

31 X1 x1;

32 X2 x2;

33 X3 x3;

34 cout<<"x1 的大小 "<<sizeof(x1)<<"\n";

35 cout<<"x2 的大小 "<<sizeof(x2)<<"\n";

36 cout<<"x3 的大小 "<<sizeof(x3)<<"\n";

37 return 0;

38 }

这段程序的功能很简单，就是定义了三个结构X1,X2,X3,这三个结构的主要区别就是内存数据摆放的顺序，其他都是一样的，另外程序输入了几种基本类型所占用的字节数，以及我们这里的三个结构所占用的字节数。

这段程序的运行结果为：

1 long 4

2 float 4

3 int 4

4 char 1

5 x1 的大小 8

6 x2 的大小 12

7 x3 的大小 8

结果的前面四行没有什么问题，但是我们在最后三行就可以看到三个结构占用的空间大小不一样，造成这个原因就是内部数据的摆放顺序，怎么会这样呢？

下面就是我们需要讲的内存对齐了。

内存是一个连续的块，我们可以用下面的图来表示, 它是以4个字节对一个对齐单位的：

图一



让我们看看三个结构在内存中的布局：

首先是 X1，如下图所示



X1 中第一个是 Int类型，它占有4字节，所以前面4格就是满了，然后第二个是char类型，这中类型只占一个字节，所以它占有了第二个4字节组块中的第一格，第三个也是char类型，所以它也占用一个字节，它就排在了第二个组块的第二格，因为它们加在一起大小也不超过一个块，所以他们三个变量在内存中的结构就是这样的，因为有内存分块对齐，所以最后出来的结果是8，而不是6，因为后面两个格子其实也算是被用了。

再次看看X2，如图所示



X2中第一个类型是Char类型，它占用一个字节，所以它首先排在第一组块的第一个格子里面，第二个是Int类型，它占用4个字节，第一组块已经用掉一格，还剩3格，肯定是无法放下第二Int类型的，因为要考虑到对齐，所以不得不把它放到第二个组块，第三个类型是Char类型，跟第一个类似。所因为有内存分块对齐，我们的内存就不是8个格子了，而是12个了。

再看看X3，如下图所示：



关于X3的说明其实跟X1是类似的，只不过它把两个1个字节的放到了前面，相信看了前面两种情况的说明这里也是很容易理解的。