第3章“程序的机器级表示”：对齐（alignment）

  许多计算机系统对基本数据类型的可允许地址做出了一些限制，要求某种类型的对象的地址必须是某个值 $k$ （通常是2、4 或 8）的倍数。这种 对齐限制 简化了处理器和存储器系统之间接口的硬件设计。例如，假设一个处理器总是从存储器中取出 8 个字节出来，则地址必须是 8 的倍数。如果能保证所有的 double 都将它们的地址对齐成 8 的倍数，那么久可以用一个存储器操作来读或者写值了。否则，可能需要执行两次存储器访问，因为对象可能分放在两个 8 字节存储器块中。

  无论数据是否对齐，IA32 硬件都能正确工作。不过，Intel 还是建议要对齐数据以提高存储器系统的性能。Linux 沿用的对齐策略是 2 字节数据类型（例如 short）的地址必须是 2 的倍数，而较大的数据类型（例如 int、int *、float 和 double）的地址必须是 4 的倍数。注意，这个要求就意味着一个 short 类型对象的地址的最低位必须等于0。类似地，任何 int 类型的对象或指针的地址的最低两位必须都是0。

Microsoft Windows 的对齐

Microsoft Windows 对对齐的要求更严格——任何 $k$ 字节（基本）对象的地址都必须是 $k$ 的倍数。特别的，它要求一个 double 的地址应该是 8 的倍数。这种要求提高了存储器性能，代价是浪费了一些空间。Linux 中的设计决策可能对 i386 很好，以前存储器十分缺乏，而存储器总线只有 4 个字节宽。对于现代处理器来说，Microsoft 的对齐策略就是更好的选择了。

命令行选项 -malign-double 会使 Linux 上的 GCC 为 double 类型的数据使用 8 字节的对齐。这会提高存储器性能，但是在与用 4 字节对齐方式下编译的库代码链接时，会导致不兼容。

  确保每种数据类型都是按照指定方式来组织和分配的，即每种类型的对象都满足它的对齐限制，就可保证实施对齐。编译器在汇编代码中放入命令，指明全局数据所需的对齐。例如，3.6.6 小节中跳转表的汇编代码声明的第2行就包含下面这样的命令（directive）：

.align 4

  这就保证了它后面的数据（在此，是跳转表的开始）会从以 4 的倍数的地址处开始。因为每个表项长 4 个字节，后面的元素都会遵守 4 字节对齐的限制。

  分配存储器的库例程（例如 malloc）的设计必须使得它们返回的指针能满足最糟糕情况的对齐限制，通常是 4 或者 8。对于有结构的代码，编译器可能需要在域的分配中插入间隙，以保证每个结构元素都满足它的对齐要求，而结构本身对它的起始地址也有一些对齐要求。

  例如，如下的结构声明：

struct S1 {
	int i;
	char c;
	int j;
};

  假设编译器用的是最小的 9 字节分配，画出图来是这样的：

  它是不可能满足域 $i$ （偏移为 0）和 $j$ （偏移为 5）的 4 字节对齐要求的。所以，编译器在域 $c$ 和 $j$ 之间插入一个 3 字节的间隙（在此用 “XXX” 表示）：

  结果，$j$ 的偏移量为 8，而整个结构的大小为 12 字节。此外，编译器必须保证任何 struct S1 * 类型的指针 $p$ 都满足 4 字节对齐。用前面的符号，让指针 $p$ 的值为 $x_p$。那么，$x_p$ 必须是 4 的倍数。这就保证了 p->i（地址 $x_p$）和 p->j（地址 $x_p+4$）都满足它们的 4 字节对齐要求。

  另外，编译器可能需要添加一些填充到结构的末尾，这样结构数组的每个元素都会满足它的对齐要求。例如，看如下这个结构声明：

struct S2 {
	int i;
	int j;
	char c;
};

  如果将这个结构打包成 9 个字节，只要保证结构的起始地址满足 4 字节对齐要求，仍然能够保证域 $i$ 和 $j$ 的对齐要求。不过，考虑如下声明：

struct S2 d[4];

  分配 9 个字节，是不可能满足 $d$ 的每个元素的对齐要求的，这是因为这些元素的地址分别为 $x_d$、$x_d+9$、$x_d+18$ 和 $x_d+27$。

  编译器会为结构 S1 分配 12 个字节，最后 3 个字节是浪费的空间：

  这样一来，$d$ 的元素的地址分别为 $x_d$、$x_d+12$、$d_d+24$ 和 $x_d+36$。只要 $x_d$ 是 4 的倍数，所有的对齐限制就都可以满足了。