内存对齐方式及结构体的存储

1. 内存对齐方式

虽然所有的变量最后都会保存在特定地址的内存中，但相应的内存空间必须满足内存对齐的要求。主要出于两个方面的原因：
(1) 平台原因：
不是所有的硬件平台(特别是嵌入式系统中使用的低端处理器)都能访问任意地址上的任意数据，某些硬件平台只能访问对齐的地址，否则会出现硬件异常。
(2) 性能原因：
如果数据存放在未对齐的内存空间中，则处理器访问变量时需要做两次内存访问，而对齐的内存访问仅需一次访问。

在32位微处理器中，处理器访问内存都是按照32位进行的，即一次读取或写入都是4个字节，比如地址0x0~0xF这16字节的内存，对于微处理器来说，不是将其看做16个单一字节，而是4个块，每块4个字节。如下图

显然，只能从0x0、0x4、0x8、0xC等地址为4的整数倍的内存中一次取出4个字节，并不能从任意地址开始一次读取4个字节。假定将一个占用4个字节的int类型的数据存放在地址0开始的4字节内存中，其示意图如下

由于int类型数据存放在块0中，因此CPU仅需一次内存访问即可完成对该数据的读取或写入。反之，如果将int类型数据存放在地址1开始的4字节内存空间中，其示意图如下

此时，数据存放在块0和块1两个块中，若要完成对该数据的访问，必须经过两次内存访问，先访问块0得到数据的3个字节，再通过访问块1得到该数据的1个字节，最后通过运算，将这几个字节合并为一个完整的int型数据。由此可见，若数据存储在未对齐的内存空间中，将大大降低CPU的效率。但在某些特定的微处理器中，它根本不愿意干这种事情，这种情况下，就出现系统异常，直接崩溃了。

2. 结构体的存储

我们知道，数组是相同类型有序数据的集合，但很多时候需要将不同类型的数据捆绑在一起作为一个整体对待，使程序设计更方便。在C语言中，这样一组数据被称为结构体。其内存对齐的规则如下：
(1) 结构体各个成员变量的内存空间的首地址必须是“对齐系数”和“变量实际长度”中较小者的整数倍。“对齐系数”是【#pragma pack指定的数值】、【未指定#pragma pack时，系统默认的对齐模数（32位系统为4字节，64位为8字节）】。假设要求变量的内存空间要求按照4字节对齐，则内存空间的首地址必须是4的整数倍，满足条件的地址为0x0, 0x4, 0x8, 0xC…
(2) 对于结构体，在其各个数据成员都完成对齐后，结构体本身也需要对齐，即结构体占用的总大小应该为“对齐系数”和“最大数据成员长度”中较小值的整数倍。

如下的结构体，在32位机器上编译，其成员数据的总长度为4+2+3+4+1+8 = 22(字节)

#pragma pack(4)
struct TEST
{
    long a;         //4
    short b;        //2
    char c[3];      //3
    float d;        //4
    char e;         //1
    double f;       //8
}test;

有如下的测试程序

int main(void)
{
    short len = sizeof(test);
    printf("test length is %d.\n", len);
    return 0;
}

下面是输出结果，结果表明结构体占用28个字节的内存，大于22字节。

其实，正是由于内存对齐的原因造成了这种现象，下图是每个变量在内存的分布图，其中空白部分是内存弃用部分，这些浪费空间的前面，存放的都是char型数据，由于char型数据只占用一个字节，往往使得其紧接着的空间不能被其它长度更长的数据使用。

为了降低内存浪费的概率，应该在char型数据之后，存放长度较小的成员。即在定义结构体时，应该按照长度递增的顺序依次定义各个成员。优化后的实例代码为

#pragma pack(4)
struct TEST
{
    char e;         //1
    char c[3];      //3
    short b;        //2
    long a;         //4
    float d;        //4
    double f;       //8
}test;

运行测试程序，输出结果为

可见，通过调整结构体的成员顺序，达到了优化内存的目的。各个成员变量在内存中的分布图为

结构体只浪费了2个字节的空间，内存使用率达到92%。显然通过优化结构体成员的定义顺序，在同样满足内存对齐的要求下，可以大大减小内存的浪费。