C++学习笔记总结练习：内存对齐

概述

概念

• 编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。

原因

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某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2. 性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

补充观点：字节对齐主要是为了提高内存的访问效率，比如intel 32位cpu，每个总线周期都是从偶地址开始读取32位的内存数据，如果数据存放地址不是从偶数开始，则可能出现需要两个总线周期才能读取到想要的数据，因此需要在内存中存放数据时进行对齐。

例如64位操作系统，存储32位int值。如果两个int值占用同一个64位的寻址空间，那么方位第二个int值，需要两次寻址过程。首先找到地址，然后得到偏移。

规则

每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

1. 数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。
2. 结构(或联合)的整体对齐规则：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)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。
3. 结构体作为成员：如果一个结构里有某些结构体成员，则结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。
4. 结合1、2可推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。

结构体对齐规则

1. 结构体变量的起始地址能够被其最宽的成员大小整除
2. 结构体每个成员相对于起始地址的偏移能够被其自身大小整除，如果不能则在前一个成员后面补充字节
3. 结构体总体大小能够被最宽的成员的大小整除，如不能则在后面补充字节

举例

可以通过预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是指定的“对齐系数”。

#pragma pack(2)

struct AA {

int a;       //长度4 > 2 按2对齐；偏移量为0；存放位置区间[0,3]

char b;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为4；存放位置区间[4]

short c;     //长度2 = 2 按2对齐；偏移量要提升到2的倍数6；存放位置区间[6,7]

char d;  //长度1 < 2 按1对齐；偏移量为7；存放位置区间[8]；共九个字节

};

#pragma pack()