计算机体系结构基础知识介绍之内存寻址（一）（包含大端小端、字节对齐等）

一、大端小端概念

字节顺序是指在一个多字节的数据中，最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB）的存放顺序。有两种常见的字节顺序：大端（Big Endian）和小端（Little Endian）。大端是指MSB存放在低地址，LSB存放在高地址；小端是指MSB存放在高地址，LSB存放在低地址。

大端和小端是指数据在内存中的存储模式，它由 CPU 决定：

- 大端模式（Big-endian）是指将数据的低位（比如 1234 中的 34 就是低位）放在内存的高地址上，而数据的高位（比如 1234 中的 12 就是高位）放在内存的低地址上。
- 小端模式（Little-endian）是指将数据的低位放在内存的低地址上，而数据的高位放在内存的高地址上。

举个例子，比如向内存地址为 0X1000 的地址写入 0X12345678 这个四字节16进制数，在大端和小端模式下，内存中的表示形式为：

| 地址    | 大端模式 | 小端模式 |
| ------- | -------- | -------- |
| 0X1000  | 12       | 78       |
| 0X1001  | 34       | 56       |
| 0X1002  | 56       | 34       |
| 0X1003  | 78       | 12       |

大端和小端模式的优缺点各有不同：

- 大端模式符合人类习惯，方便阅读和调试；也符合字符串比较时单词的顺序；但是不符合计算机处理数据时从低位到高位的方式。
- 小端模式符合计算机处理数据时从低位到高位的方式，方便运算和转换；但是不符合人类习惯，也不符合字符串比较时单词的顺序。

 在同一台计算机内部，字节顺序通常不会引起问题，只有当程序同时以不同的单位（比如字或字节）访问同一块内存时，才会注意到差异。但是当不同字节顺序的计算机之间交换数据时，就会出现问题。小端顺序也会导致字符串比较时，单词的顺序和正常的顺序不一致。字符串在寄存器中看起来是“倒着”的。

二、字节对齐概念

在很多计算机中，访问大于一个字节的对象时，必须对齐。对齐是指一个大小为s字节的对象在地址A处访问时，A能被s整除。为什么有人设计一个有对齐限制的计算机呢？不对齐会导致硬件复杂化，因为内存通常是按照一个字或双字的边界对齐的。一个不对齐的内存访问可能需要多个对齐的内存引用。因此，即使在允许不对齐访问的计算机中，使用对齐访问的程序也会运行得更快。

字节对齐是指在多字节数据访问时，要求数据的起始地址能被其占用空间的整数倍整除。比如一个四字节的数据，要求其起始地址能被4整除。如果不满足这个要求，就称为不对齐。

举个例子，假设有一个结构体如下：

```c
struct student
{
    char name[10];
    int age;
    double score;
};
```

如果按照字节对齐的原则，这个结构体占用空间为24字节，因为每个成员都要对齐到自己大小的整数倍。具体如下：

| 成员   | 起始地址 | 占用空间 | 对齐空间 |
| ------ | -------- | -------- | -------- |
| name   | 0        | 10       | 12       |
| age    | 12       | 4        | 4        |
| score  | 16       | 8        | 8        |

如果不按照字节对齐的原则，这个结构体占用空间为22字节，因为每个成员都紧密排列。具体如下：

| 成员   | 起始地址 | 占用空间 |
| ------ | -------- | -------- |
| name   | 0        | 10       |
| age    | 10       | 4        |
| score  | 14       | 8        |

字节对齐有什么好处呢？主要有两个：

- 提高访问效率。如果数据不对齐，可能需要多次访问内存才能获取完整的数据；而如果数据对齐，一次访问就能获取完整的数据。
- 避免兼容性问题。不同的编译器或平台可能对字节对齐有不同的要求或默认值，如果数据不对齐，可能导致数据解析错误；而如果数据对齐，就能保证数据的一致性。