计算机中结构体的内存对齐问题

#include<stdio.h>
//#pragma pack(4)
int main()
{
    struct key
    {
        int a;//4 bytes
        char b;//1 bytes
        long double c;//8 bytes
        char d;//1 bytes
    }k0;
    struct key1
    {
        int a;
        char b;
        int c;
    }k1;
    struct key2
    {
        char a;
        char b;
        char c;
    }k2;
    //printf("the size of certain type is: %d\n",sizeof(kk.a));
    printf("%d\n",sizeof(struct key));
    printf("%d\n",sizeof(struct key1));
    printf("%d\n",sizeof(struct key2));
    printf("%p %p %p %p\n",&k0.a, &k0.b, &k0.c, &k0.d);
    printf("%p %p %p\n",&k1.a, &k1.b, &k1.c);
    printf("%p %p %p\n",&k2.a, &k2.b, &k2.c);
    //system("pause");
    return 0;
}

先看上面一段代码，猜想一下输出结果会是什么？（代码中注释给出了此种机器中各个类型的变量的大小）

可能有人会写出下面的结果：

14

9

3

事实是不是这样呢？请看这段代码在VS2010上的运行结果：

这究竟是为什么呢？这个问题也困扰了笔者很久，经过查资料后，终于明白这是一个内存对齐的问题。下面先简单介绍一下计算机为什么要进行内存对齐，然后再介绍怎么进行内存对齐。

1.平台原因：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的，某些平台只能在某些地方读取某些数据，否则会抛出硬件异常。

2.性能原因：经过内存对齐后，cpu访问内存的速度大大提高。

对于第二个原因作出的解释是：

一般人心中的内存印象是这样的：

一个字节一个字节组成的内存，但是cpu不这样认为，cpu“脑”中的内存是这样的：

cpu把内存看成是一块一块的，以2,4,8,16为单位进行读取的。

下面简单举一个例子：

假设cpu要读取一个4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况进行讨论：

1.数据从0字节开始 2.数据从1字节开始

两种情况如图所示

当cpu从0字节开始读取的时候，只需要读取一次即可把这4字节的内容读取到寄存器中；当cpu从1字节开始读取数据的时候，显然问题开始变得复杂，因为此时数据不在内存读取边界上，这是一类内存未对齐的数据。

此时内存先访问一次内存，读取0-3字节数据到寄存器，并且再次读取4-7字节数据到寄存器中，接着把0字节和6,7,8字节的内容删掉，然后合并1.2.3.4字节的数据进寄存器，如下图所示：

显然相比第一种情况而言，cpu进行了很多额外的操作，大大降低了cpu的性能。

以上大概解释了计算机为什么要进行内存对齐，接下来介绍内存对齐的原理和实现。

每个特定平台上的编译器都有自己默认的“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”。

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。

结构体的整体对齐规则：数据成员完成对齐后，结构体本身也要进行整体对齐，对齐按照#pragma pack指定的数值和结构最大数据成员的长度中比较小的那个进行。

下面我们开始分析此文开始时的代码：

在结构体k0中最大数据成员的长度是8字节，故以8为对齐系数，a占4字节，后面会有4字节的空间，b长度为1字节，所以b会填充到a后面，c占8字节，d占1字节，后面会有7字节的空间，编译器会将其填充成8字节，所以k0的大小就是3*8字节，即24；

在结构体k1中最大数据成员的长度是4字节，故以4为对齐系数，a占4字节，b占1字节后面会有3字节的空间，编译器会将其填充到4字节，c占4字节，故结构体k1的大小3*4字节，即12；

同理可得k2的大小3.

分析上面结构体数据成员的地址，根据地址我们显然可以得出此结果完全符合上面的分析。