C语言字节对齐规则总结

原始链接源自 https://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3853132.html ， 从上面博客中学习总结得到下面的文章。

    不同硬件平台，对存储空间的处理不一样，比如不能放奇数地址，不能任意存放等，为了适应不同的架构，在C语言层面上，就可以执行对齐从而独立于硬件平台。 此外，是由于对内存的存取效率问题，如果存放的地址不对齐，取一个4字节的数据，可能会需要两个时钟信号才能取完。为了CPU能够对数据进行快速的访问，也要求数据的起始地址具有对齐特性。 比如4字节数据的起始地址应该在4字节的边界上，也就是数据存放的起始地址应该被4整除。这就是为什么要字节对齐， 和什么是字节对齐。

 

    对齐的方式，又区分 结构体对齐、 栈内存对齐、位域对齐， 位域本质上是结构体。

    对于Intel X86平台，每次分配内存应该是从4的整数倍地址开始分配，无论是对结构体变量还是简单类型的变量。

一、结构体对齐
    编译器为结构体的每个成员按照其自然边界(alignment)分配空间。各成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。

    对齐规则：

 1) 数据类型自身的对齐值：char型数据自身对齐值为1字节，short型数据为2字节，int/float型为4字节，double型为8字节。

 2) 结构体的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值。

 3) 指定对齐值：#pragma pack (value)时的指定对齐值value。默认是4。

 4) 数据成员、结构体的有效对齐值：自身对齐值和指定对齐值中较小者，即有效对齐值=min{自身对齐值，当前指定的pack值}。

    使用pragma指定对齐值，其实是指定了数据结构的最大对齐值， 如果本身的对齐值，并不超过设定的值，还是会按照自身的对齐值来。

    有效对齐值N是最终用来决定数据存放地址方式的值。有效对齐N表示“对齐在N上”，即该数据的“存放起始地址%N=0”。结构体的成员变量要对齐存放，结构体本身也要根据自身的有效对齐值圆整(即结构体成员变量占用总长度为结构体有效对齐值的整数倍)。

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

    sizeof(A) = 8,  sizeof(B) = 12;

    A中，最初的int是4字节对齐，char是1字节对齐，所以前5个字节不需要填充，后面short长度为2个字节，和2对齐，所以char后面补一个字节，总共是8个字节。整个数组的有效对齐值是成员的最大值4， 8个字节是4的整数倍， 所以结构体总长度为8。

    B中，最初char是1字节，随后int长度是4字节，和4字节对齐，char后面补3个字节，最后short是第9和10字节，也是对齐的。整个结构体的有效对齐值是4，结构体长度需要是4的整数倍，所以short后面还需要补2个字节，总长度为12。

    之所以编译器在后面补充2个字节，是为了实现结构数组的存取效率。试想如果定义一个结构B的数组，那么第一个结构起始地址是0没有问题，但是第二个结构呢？按照数组的定义，数组中所有元素都紧挨着。如果我们不把结构体大小补充为4的整数倍，那么下一个结构的起始地址将是0x0000A，这显然不能满足结构的地址对齐。因此要把结构体补充成有效对齐大小的整数倍。

更改对齐方式：

    在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：
    使用伪指令#pragma pack(n)：C编译器将按照n个字节对齐；
    使用伪指令#pragma pack()： 取消自定义字节对齐方式。

   在编码时，可用#pragma pack动态修改对齐值。自定义对齐值后要用#pragma pack()来还原，否则会对后面的结构造成影响。

#pragma pack(2)  //指定按2字节对齐
struct C{
    char  b;
    int   a;
    short c;
};
#pragma pack()   //取消指定对齐，恢复缺省对齐

    char自身对齐值是1，指定对齐值是2，所以有效对齐值是1。 int自身对齐值是4，指定对齐值是2，所有有效对齐值是2，放在2的倍数的地址空间上，char后面只会补1个字节。所以到这里长度是6，后面short两个字节，有效对齐值也是2，结构体总长度是8。

    需要注意，pragma pack指定的对齐值，是数据类型的最大对齐值，可以小，但是不能大。

    因为对齐，会产生的问题:

    1，数据类型强转可能会因为对齐，出错。 short类型应该放在2的倍数的地址上，但是这里p1却指向了奇数地址。需要注意。

int main(void){  
    unsigned int i = 0x12345678;
        
    unsigned char *p = (unsigned char *)&i;
    *p = 0x00;
    unsigned short *p1 = (unsigned short *)(p+1);
    *p1 = 0x0000;

    return 0;
}

    2，不同的处理器之间传递数据时，因为两个处理器可能采用的填充方式不一致，会导致数据出错。这时，可以在定义数据结构时，自己把需要填充的部分用char类型的数据填上，这样就不会不一致了。或者使用pragma pack 1， 让数据都按照1字节对齐。

二、栈内存对齐

在VC/C++中，栈的对齐方式不受结构体成员对齐选项的影响。总是保持对齐且对齐在4字节边界上。（直接看博客原文吧，他里面说的char和short没有凑到4个字节，我认为是已经凑到一起了）。

三、位域的对齐方式

    有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节，而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1两种状态，用一位二进位即可。为了节省存储空间和处理简便，C语言提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。

    1，为了节省内存，对于大量的结构体数组来讲。 2，需要访问字节内的bit成员。两种情况会使用位域。

    位域成员，除了指定所占用的bit位外，还有一个类型。位域成员不能单独被取sizeof值。下面主要讨论含有位域的结构体的sizeof。

其对齐规则大致为：

     1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

     2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

     3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++和GCC采取压缩方式；

     4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

     5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍，而位域则按照其最宽类型字节数对齐。

 

     位域可以无位域名，只用作填充或调整位置，占位大小取决于该类型。例如，char :0表示整个位域向后推一个字节，即该无名位域后的下一个位域从下一个字节开始存放，同理short :0和int :0分别表示整个位域向后推两个和四个字节。

     当空位域的长度为具体数值N时(如int :2)，该变量仅用来占位N位。

    原文还有位域的例子和字节大小端的例子，在这里就不写了。