内存对齐的规则以及作用

首先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：
    
    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个问题。
    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的大小也不同。
    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(str1)和sizeof(str2)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，以后每个暑假成员的偏移量必须是min(#pragma pack()指定的数，这个数据成员自身长度)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）最大数据成员大小中，比较小的那个进行；
    #pragma pack(n)表示设置为n字节对齐。VC 6.0默认8字节对齐。
    以程序1为例解释对齐的规则
    Str1：char占一个字节，起始偏移为0，int占4个字节，min(#pragma pack(),这个数据成员的自身长度) = 4，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个字节对齐，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：
    
    共占用10个字节。还要继续进行结构体本身的对齐，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，str1结构中最大数据成员长度为int，占4个字节，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，需要添加2个额外字节使结构的总大小为12。此时的内存状态为：
    
    到此内存对齐结束。Str1占用了12个字节而非7个字节。
    Str2的对齐方法和Str1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得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字节的大小，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 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，分为两种情况讨论：
    （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，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，问题变得有些复杂，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的性能。
    
    图片来自： http://www.ibm.com/developerworks/library/pa-dalign/
    如大家对内存对齐对性能的具体影响感兴趣，可以参考上文。

    原文引自： http://www.cppblog.com/snailcong/archive/2009/03/16/76705.html