C++ 内存对齐

一、内存对齐的作用

    1.经过内存对⻬之后，CPU 的内存访问速度⼤⼤提升。因为 CPU 把内存当成是⼀块⼀块的，块的⼤⼩可以是 2，4，8，16 个字节，因此 CPU 在读取内存的时候是⼀块⼀块进⾏读取的，块的大小称为内存读取粒度。⽐如说 CPU 要读取⼀个 4 个字节的数据到寄存器中（假设内存读取粒度是 4），如果数据是从 0 字节开始的，那么直接将 0-3 四个字节完全读取到寄存器中进⾏处理即可。
    如果数据是从 1 字节开始的，就⾸先要将前 4 个字节读取到寄存器，并再次读取 4-7 个字节数据进⼊寄存器，接着把 0 字节，5，6，7 字节的数据剔除，最后合并 1，2，3，4字节的数据进⼊寄存器，所以说，当内存没有对⻬时，寄存器进⾏了很多额外的操作，⼤⼤降低了 CPU 的性能。
    2.有的 CPU 遇到未进⾏内存对⻬的处理直接拒绝处理，不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，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。所以内存对齐还有利于平台移植。

二、内存对齐规则

首先了解两个概念：

1.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）。32位系统，gcc中默认#pragma pack(4)，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。

2.有效对齐值：是给定值#pragma pack(n)和结构体中最长数据类型长度中较小的那个。有效对齐值也叫对齐单位。

然后明确内存对齐的两个规则：

1.结构体第一个成员的偏移量（offset）为0，以后每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节。

2.结构体的总大小为 有效对齐值 的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

看下面这个例子：

#include 
 using namespace std;
 
 struct X1
 {
   int i;//4个字节
   char c1;//1个字节
   char c2;//1个字节
 };
 
 struct X2
 {
   char c1;//1个字节
   int i;//4个字节
   char c2;//1个字节
 };
 
 struct X3
 {
   char c1;//1个字节
   char c2;//1个字节
   int i;//4个字节
 };
 int main()
 {   
     cout<<"long "<

程序的运行结果为：

 long 4
 float 4
 int 4
 char 1
 x1 的大小 8
 x2 的大小 12
 x3 的大小 8

在上述程序中，有效对齐值均为默认的4字节。

先看X1：

根据规则1可知，第一个变量为int型，占4字节，从offset为0的位置开始存，占据offset 0 ~ 3的位置。

第二个变量为char型，占1字节，其对于结构体首地址的 offset 是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍，即1的整数倍，因此可以直接接在变量i后存放，占据offset 4 的位置。

同理，第三个变量为char型，可以直接接在第二个char型变量后存放，占据offset 5 的位置。

最后，由规则2可知：结构体的总大小为 有效对齐值 的整数倍。在上述程序中，有效对齐值为4，因此最终的结构体大小应为4的整数倍。目前三个变量占 4 + 1 + 1 = 6字节，编译器在最后填充3字节，最终变成8字节。

再看X2：

第一个变量为char型，占1字节，从offset为0的位置开始存，占据offset 0 的位置。

第二个变量为int型，占4字节，由规则1可知，除第一个成员外，结构体的每个成员相对于结构体首地址的 offset 都是该成员大小与有效对齐值中较小那个的整数倍。因此第二个变量只能存放在4的整数倍的位置上。编译器会在第一个char变量后填充3字节，然后把第二个变量从offset为4的位置开始存，占据offset 4 ~ 7的位置。

第三个变量是char型，占1字节，可以直接在第二个变量后面存放，占据offset 8 的位置。

最后，目前三个变量占据 4 + 4 + 1 = 9字节。有效对齐值为4，所以编译器在最后填充3字节，最终变成12字节。

再再看X3：

第一个变量为char型，占1字节，从offset为0的位置开始存，占据offset 0 的位置。

第二个变量是char型，占1字节，可以直接在第一个变量后面存放，占据offset 1 的位置。

第三个变量为int型，占4字节，必须存放在offset为4的整数倍的位置上，于是编译器在第二个char变量后填充2字节，使得offset = 4，把int型变量存放在offset 4 ~ 7的位置。

最后，三个变量占据 4 + 4 = 8字节，有效对齐值为4，满足倍数关系，编译器无需填充字节，最终即为8字节。

看图解释：

内存是一个连续的块，我们可以用下面的图来表示,  在32位系统中，它是以4个字节对一个对齐单位的：

 让我们看看三个结构在内存中的布局：

 首先是 X1，如下图所示

X1 中第一个是 int类型，它占有4字节，所以前面4格就是满了，然后第二个是char类型，这中类型只占一个字节，所以它占有了第二个4字节组块中的第一格，第三个也是char类型，所以它也占用一个字节，它就排在了第二个组块的第二格，因为它们加在一起大小也不超过一个块，所以他们三个变量在内存中的结构就是这样的，因为有内存分块对齐，所以最后出来的结果是8，而不是6，因为后面两个格子其实也算是被用了。

再看X2，如图所示

X2中第一个类型是char类型，它占用一个字节，所以它首先排在第一组块的第一个格子里面，第二个是int类型，它占用4个字节，第一组块已经用掉一格，还剩3格，肯定是无法放下第二int类型的，因为要考虑到对齐，所以不得不把它放到第二个组块，第三个类型是char类型，跟第一个类似。所因为有内存分块对齐，我们的内存就不是8个格子了，而是12个了。

再再看X3，如下图所示

关于X3的说明其实跟X1是类似的，只不过它把两个1个字节的放到了前面，相信看了前面两种情况的说明这里也是很容易理解的。

参考文章：C++内存对齐 - 走看看