内存对齐--面试常问问题和笔试常考问题
1.内存对齐的意义
C++ 内存对齐的主要意义可以简练概括为以下几点：
-
提高访问效率：内存对齐可以使数据在内存中以更加紧凑的方式存储，从而提高了数据的访问效率。处理器通常能够更快地访问内存中对齐的数据，而不需要额外的字节偏移计算。
-
硬件要求：许多硬件平台要求数据按照一定的对齐规则存储，否则可能会导致性能下降或者错误。不符合硬件要求的数据存储方式可能会引发总线错误或性能降低。
-
结构体和类的正确性：在C++中，结构体和类中的成员变量通常按照编译器的默认对齐方式进行排列，以确保数据的正确访问和存储。手动调整对齐方式可以保证数据的正确性。
-
跨平台开发：内存对齐可以确保数据在不同平台上的一致性。这对于跨平台开发非常重要，因为不同的硬件架构可能有不同的对齐要求。
-
节省内存：内存对齐可以减少内存碎片，从而节省内存空间。当数据按照对齐要求存储时，不会出现因为填充字节而浪费内存的情况。
总之，C++ 内存对齐的主要意义在于提高访问效率、符合硬件要求、确保数据的正确性、支持跨平台开发以及节省内存空间。通过遵循对齐规则，可以充分利用硬件的性能优势，并确保程序在不同平台上的可移植性和正确性。
2.对齐原则
原则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
offiset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。（先偏移到那个对齐标准数的指定倍数，在进行加上本身）
原则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。
原则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。
3.默认对齐值
默认对齐值:
Linux默认#pragma pack(4)
window默认#pragma pack(8)
注: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”。
例题1：
#include
#include
#include
#pragma pack(1)
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量提升到2的 倍数6，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
int main()
{
cout << sizeof(AA) << endl;
system("pause");
return 0;
} 
#include
#include
#include
#pragma pack(2)
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
struct BB
{
// BB 是注释掉以上 内容 按照2个字节对齐的情况
int a; //长度4>2 按照2对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度2>1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2=1,按2对齐，整体偏移到2的倍数6，存放位置区间[6,7]
char d; //长度2>1，按1对齐，偏移量为7，存放位置区间[8],共9个字节。
//整体存放【0-8】 位置中，共9个字节。
};
int main()
{
// cout << sizeof(AA) << endl;
cout << sizeof(BB) << endl;
system("pause");
return 0;
} 
#include
#include
#include
#pragma pack(4)
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
struct BB
{
// BB 是注释掉以上 内容 按照2个字节对齐的情况
int a; //长度4>2 按照2对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度2>1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2=1,按2对齐，整体偏移到2的倍数6，存放位置区间[6,7]
char d; //长度2>1，按1对齐，偏移量为7，存放位置区间[8],共9个字节。
//整体存放【0-8】 位置中，共9个字节。
};
struct CC
{
int a; //长度4=4 按照4对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为4，存放区间[4]
short c; //长度 2<4 按照两个字节对齐，对齐到2的倍数6 存放位置{6,7}
char d; // 1<4 ，按照1 对齐。偏移量为7.存放位置的区间为[8],总大小为9
};
int main()
{
// cout << sizeof(AA) << endl;
// cout << sizeof(BB) << endl;
cout << sizeof(CC) << endl;
system("pause");
return 0;
} 
8字节对齐
#include
#include
#include
#pragma pack(8)
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
struct BB
{
// BB 是注释掉以上 内容 按照2个字节对齐的情况
int a; //长度4>2 按照2对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度2>1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2=1,按2对齐，整体偏移到2的倍数6，存放位置区间[6,7]
char d; //长度2>1，按1对齐，偏移量为7，存放位置区间[8],共9个字节。
//整体存放【0-8】 位置中，共9个字节。
};
struct CC
{
int a; //长度4=4 按照4对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为4，存放区间[4]
short c; //长度 2<4 按照两个字节对齐，对齐到2的倍数6 存放位置{6,7}
char d; // 1<4 ，按照1 对齐。偏移量为7.存放位置的区间为[8],总大小为9
};
struct DD
{
int a; // 4<8 按4对齐， 偏移：0 位置 {0,3}
char b; // 1<8 按1对齐 偏移：4 位置：{4}
short c; // 2<8 按照2 对齐 偏移 6 位置 {6,7}
char d; // 1<8 按照1 对齐 偏移为7 位置[8] 总大小为9
};
int main()
{
// cout << sizeof(AA) << endl;
// cout << sizeof(BB) << endl;
// cout << sizeof(CC) << endl;
cout << sizeof(DD) << endl;
system("pause");
return 0;
} 
#按照8位，有 包含 double的情况。
#include
#include
#include
#pragma pack(8)
#include
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
struct BB
{
// BB 是注释掉以上 内容 按照2个字节对齐的情况
int a; //长度4>2 按照2对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度2>1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2=1,按2对齐，整体偏移到2的倍数6，存放位置区间[6,7]
char d; //长度2>1，按1对齐，偏移量为7，存放位置区间[8],共9个字节。
//整体存放【0-8】 位置中，共9个字节。
};
struct CC
{
int a; //长度4=4 按照4对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为4，存放区间[4]
short c; //长度 2<4 按照两个字节对齐，对齐到2的倍数6 存放位置{6,7}
char d; // 1<4 ，按照1 对齐。偏移量为7.存放位置的区间为[8],总大小为9
};
struct DD
{
int a; // 4<8 按4对齐， 偏移：0 位置 {0,3}
char b; // 1<8 按1对齐 偏移：4 位置：{4}
short c; // 2<8 按照2 对齐 偏移 6 位置 {6,7}
char d; // 1<8 按照1 对齐 偏移为7 位置[8] 总大小为9
};
struct EE
{
int a; // 4<8 按4对齐， 偏移：0 位置 {0,3}
double b; // 8==8 按8对齐 偏移量偏移到8的倍数 偏移8 位置：{8,16}
short c; // 2<8 按照2 对齐 偏移 16 位置 {16,17}
char d; // 1<8 按照1 对齐 偏移为17 位置[18] 总大小为9
};
int main()
{
// cout << sizeof(AA) << endl;
// cout << sizeof(BB) << endl;
// cout << sizeof(CC) << endl;
// cout << sizeof(DD) << endl;
cout << sizeof(EE) << endl;
cout << offsetof(EE, b) << endl; //查看偏移了多少内存。
system("pause");
return 0;
} 
例四：结构体包含结构体的运算。
#include
#include
#include
#pragma pack(8)
#include
using namespace std;
struct AA
{
int a; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度1==1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2>1,按1对齐，偏移量，存放位置区间[5,6]
char d; //长度1==1，按1 对齐，偏移量为6，存放位置区间[7]
//整体存放【0-7】 位置中，共八个字节。
};
struct BB
{
// BB 是注释掉以上 内容 按照2个字节对齐的情况
int a; //长度4>2 按照2对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度2>1 按1 对齐，偏移量为4，存放位置区间[4]
short c; //长度2=1,按2对齐，整体偏移到2的倍数6，存放位置区间[6,7]
char d; //长度2>1，按1对齐，偏移量为7，存放位置区间[8],共9个字节。
//整体存放【0-8】 位置中，共9个字节。
};
struct CC
{
int a; //长度4=4 按照4对齐，偏移量为0，存放位置区间[0,3]
char b; //长度4>1 按照1对齐，偏移量为4，存放区间[4]
short c; //长度 2<4 按照两个字节对齐，对齐到2的倍数6 存放位置{6,7}
char d; // 1<4 ，按照1 对齐。偏移量为7.存放位置的区间为[8],总大小为9
};
struct DD
{
int a; // 4<8 按4对齐， 偏移：0 位置 {0,3}
char b; // 1<8 按1对齐 偏移：4 位置：{4}
short c; // 2<8 按照2 对齐 偏移 6 位置 {6,7}
char d; // 1<8 按照1 对齐 偏移为7 位置[8] 总大小为9
};
struct EE
{
int a; // 4<8 按4对齐， 偏移：0 位置 {0,3}
double b; // 8==8 按8对齐 偏移量偏移到8的倍数 偏移8 位置：{8,16}
short c; // 2<8 按照2 对齐 偏移 16 位置 {16,17}
char d; // 1<8 按照1 对齐 偏移为17 位置[18] 总大小为9
};
//=============================================================
struct GG
{
//结构体内部最大元素为int.由于偏移量8刚好是4 的倍数，所以从8 开始存放struct 对应了规则三。
int a1; // 4<8 4 8 [8,11]
char b1; // 1<8 1 12 [12]
short c1; // 2<8 2 14 [14,15]
char d1; // 1 <8 1 16 [16]
};
struct FF
{
int a; // 4<8 按4 偏移0 存放的位置【0,3】
char b; // 1<8 按1 偏移4 [4]
short c; // 2<8 2 6 [6,7]
GG g;
//子strcut整体对齐系数=min((max(int,short,char),8))=4. 将内存补齐到4 的整数倍 20.
char d; // 1<8 1 21 21
//整体对齐系数 4 所有有21 补到24.
};
//===========================================
int main()
{
// cout << sizeof(AA) << endl;
// cout << sizeof(BB) << endl;
// cout << sizeof(CC) << endl;
// cout << sizeof(DD) << endl;
// cout << sizeof(EE) << endl;
// cout << offsetof(EE, b) << endl; //查看偏移了多少内存。
cout << sizeof(FF) << endl;
// cout << offsetof(FF, GG) << endl;
system("pause");
return 0;
}
4.练习：
#include
#include
#include
#pragma pack(8)
using namespace std;
struct A
{
int a; // [0,4]
double b;
// [ 8, 16 ]
float c;
// [ 17, 20 ]
};
// #24
struct B
{
char e[2]; // 1<8 按照2对齐 偏移 0 位置【0,1】
short h; // 2<8 2 2 [2,4]
A a; // 24
// 一共28 偏移一起达到32.
};
int main()
{
cout << sizeof(B) << endl;
system("pause");
return 0;
} 
