内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是全栈君。

内存对齐能够用一句话来概括：

“数据项仅仅能存储在地址是数据项大小的整数倍的内存位置上”
比如int类型占用4个字节。地址仅仅能在0，4。8等位置上。

由一个程序引入话题：

//环境：vc6 + windows sp2
//程序1
#include <iostream>

using namespace std;

struct st1 
{
    char a ;
    int  b ;
    short c ;
};

struct st2
{
    short c ;
    char  a ;
    int   b ;
};

int main()
{
    cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
    cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
    return 0 ;
}

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确这一问题。

内存对齐，正是由于内存对齐的影响，导致结果不同。

对于大多数的程序猿来说，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一个数据单元安排在合适的位置上，从而导致了同样的变量，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，以后每一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、在数据成员完毕各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将依照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中。比較小的那个进行。

#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后编译器会加入3个字节的额外字节，不存放随意数据。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，无须加入额外字节。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表示额外加入的字节）

共占10个字节。还要继续进行结构本身的对齐。对齐将依照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中。比較小的那个进行，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，所以结果本身依照4字节对齐。结构总大小必须为4的倍数，需加入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同样，读者可自己完毕。

内存对齐的主要作用是：

1、平台原因(移植原因)：不是全部的硬件平台都能訪问随意地址上的随意数据的；某些硬件平台仅仅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的内存訪问速度大大提升。

详细原因稍后解释。

图一：

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

这是普通程序猿心目中的内存印象。由一个个的字节组成。而CPU并非这么看待的。

图二：

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

CPU把内存当成是一块一块的，块的大小能够是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” 。

如果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字节開始

2、数据从1字节開始

再次如果内存读取粒度为4。

图三：

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

当该数据是从0字节開始时，非常CPU仅仅需读取内存一次就可以把这4字节的数据全然读取到寄存器中。

当该数据是从1字节開始时，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：

内存对齐的规则以及作用[通俗易懂]

此时CPU先訪问一次内存。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。大大减少了CPU性能。

这还属于乐观情况了。上文提到内存对齐的作用之中的一个为平台的移植原因，由于以上操作仅仅有有部分CPU肯干，其它一部分CPU遇到未对齐边界就直接罢工了。

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