C/C++字節(jié)對齊規(guī)則 什么是字節(jié)對齊

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存空間按照字節(jié)劃分，理論可以從任何騎術(shù)地址訪問任意類型的變量。但是實(shí)際訪問中特定類型的變量經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問，這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則在空間上排列，而不是一個接一個地存放，這就是對齊

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但最常見的情況是，如果不按照平臺要求對數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對齊，會帶來存取效率上的損失。比如32位的Intel處理器通過總線訪問(包括讀和寫)內(nèi)存數(shù)據(jù)。每個總線周期從偶地址開始訪問32位內(nèi)存數(shù)據(jù)，內(nèi)存數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位存放。如果一個32位的數(shù)據(jù)沒有存放在4字節(jié)整除的內(nèi)存地址處，那么處理器就需要2個總線周期對其進(jìn)行訪問，顯然訪問效率下降很多。

因此，通過合理的內(nèi)存對齊可以提高訪問效率。為使CPU能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速訪問，數(shù)據(jù)的起始地址應(yīng)具有“對齊”特性。比如4字節(jié)數(shù)據(jù)的起始地址應(yīng)位于4字節(jié)邊界上，即起始地址能夠被4整除。

此外，合理利用字節(jié)對齊還可以有效地節(jié)省存儲空間。但要注意，在32位機(jī)中使用1字節(jié)或2字節(jié)對齊，反而會降低變量訪問速度。因此需要考慮處理器類型。還應(yīng)考慮編譯器的類型。在VC/C++和GNU GCC中都是默認(rèn)是4字節(jié)對齊。

結(jié)構(gòu)體對齊

在C語言中，結(jié)構(gòu)體是種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型(如int、long、float等)的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類型(如數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合等)的數(shù)據(jù)單元。編譯器為結(jié)構(gòu)體的每個成員按照其自然邊界(alignment)分配空間。各成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結(jié)構(gòu)的地址相同。字節(jié)對齊的問題主要就是針對結(jié)構(gòu)體。

簡單示例

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

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

結(jié)果：sizeof(struct A) = 8,sizeof(struct B) = 12

結(jié)構(gòu)體A中包含一個4字節(jié)的int數(shù)據(jù)，一個1字節(jié)char數(shù)據(jù)和一個2字節(jié)short數(shù)據(jù)；B也一樣。按理說A和B大小應(yīng)該都是7字節(jié)。之所以出現(xiàn)上述結(jié)果，就是因?yàn)榫幾g器要對數(shù)據(jù)成員在空間上進(jìn)行對齊。

對齊規(guī)則

首先了解一些基本概念：

1. 數(shù)據(jù)類型自身的對齊值：char型數(shù)據(jù)自身對齊值為1字節(jié)，short型數(shù)據(jù)為2字節(jié)，int/float型為4字節(jié)，double為8字節(jié)
2. 結(jié)構(gòu)體或類的自身對齊值：其中成員自身對齊值大的那個值
3. 指定對齊值：#pragma pack(value)時的指定對齊值value
4. 數(shù)據(jù)成員、結(jié)構(gòu)體類的有效對齊值：自身對齊值和指定對齊值中較小者，即有效對齊值=min{自身對齊值，當(dāng)前指定的pack值}

其中，有效對齊值N是最終用來決定數(shù)據(jù)存放地址方式的值。有效對齊N表示“對齊在N上”，即該數(shù)據(jù)的“存放起始地址%N=0”。而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)變量都是按定義的先后順序存放。第一個數(shù)據(jù)變量的起始地址就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的起始地址。結(jié)構(gòu)體的成員變量要對齊存放，結(jié)構(gòu)體本身也要根據(jù)自身的有效對齊值圓整(即結(jié)構(gòu)體成員變量占用總長度為結(jié)構(gòu)體有效對齊值的整數(shù)倍)。

字節(jié)對齊與具體編譯器相關(guān)，但一般都遵循以下三條規(guī)則：

1. 結(jié)構(gòu)、聯(lián)合或類的數(shù)據(jù)成員，第一個相對于首地址放在偏移為0的地方；
2. 結(jié)構(gòu)、聯(lián)合或類的各成員相對于首地址的偏移量，都是#pragma pack指定的數(shù)值和該成員大小中較小那個的整數(shù)倍。如有需要編譯器會在成員之間加上填充字節(jié)；
3. 結(jié)構(gòu)、聯(lián)合或類的總大小為最寬基本類型成員大小與#pragma pack指定的數(shù)值中較小那個的整數(shù)倍，如有需要編譯器會在最末一個成員之后加上填充字節(jié)。

C++無數(shù)據(jù)成員類

無數(shù)據(jù)成員的類（包括空類），編譯器分配1個字節(jié)的內(nèi)存空間。這樣的意義在于，創(chuàng)建的實(shí)例所指向的就是有意義的內(nèi)存空間。

如果基類無數(shù)據(jù)成員，C++標(biāo)準(zhǔn)允許派生類的第一個成員與基類共享地址，基類并沒有占據(jù)任何實(shí)際的空間。但若派生類的第一個成員類型仍然是基類，編譯器仍會為基類分配1字節(jié)的空間，這是因?yàn)镃++標(biāo)準(zhǔn)要求類型相同的對象必須地址不同。

指針的大小

有關(guān)尋址范圍計(jì)算解釋，對于32位尋址的CPU，其地址值為32位的二進(jìn)制數(shù)，所以可以表示的大地址為2的32次方(即4G，大內(nèi)存空間為4GB，這里G表示數(shù)量、GB表示容量)。同時我們不難看出，一個指針的值就是一個32位的二進(jìn)制數(shù)，32位對應(yīng) 4字節(jié)(Byte)。所以，指針的大小實(shí)際上是由CPU的尋址位數(shù)決定，而不是字長。

參考：

C/C++字節(jié)對齊規(guī)則_春日綠野的博客-博客_c++字節(jié)對齊規(guī)則

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