内存对齐

#include <stdio.h>

int main() {
        struct ms {
                double x;
                char a;
                int y;
        };
//      }__attribute__((packed));

        printf("%d/n", sizeof(struct ms));
        return 0;
}

linux上运行，结果为16；如果采用注释的那一行，则结果为13
原文：： http://dev.csdn.net/article/48/48195.shtm
什么是内存对齐

    考虑下面的结构：

         struct foo
         {
           char c1;
           short s;
           char c2;
           int i;
          };
    
    假设这个结构的成员在内存中是紧凑排列的，假设c1的地址是0，那么s的地址就应该是1，c2的地址就是3，i的地址就是4。也就是
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004。

    可是，我们在Visual c/c++ 6中写一个简单的程序：

         struct foo a;
    printf("c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);
    运行，输出：
         c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。

    为什么会这样？这就是内存对齐而导致的问题。

为什么会有内存对齐

    以下内容节选自《Intel Architecture 32 Manual》。
    字，双字，和四字在自然边界上不需要在内存中对齐。（对字，双字，和四字来说，自然边界分别是偶数地址，可以被4整除的地址，和可以被8整除的地址。）
    无论如何，为了提高程序的性能，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；然而，对齐的内存访问仅需要一次访问。
    一个字或双字操作数跨越了4字节边界，或者一个四字操作数跨越了8字节边界，被认为是未对齐的，从而需要两次总线周期来访问内存。一个字起始地址是奇数但却没有跨越字边界被认为是对齐的，能够在一个总线周期中被访问。
     某些操作双四字的指令需要内存操作数在自然边界上对齐。如果操作数没有对齐，这些指令将会产生一个通用保护异常（#GP）。双四字的自然边界是能够被16 整除的地址。其他的操作双四字的指令允许未对齐的访问（不会产生通用保护异常），然而，需要额外的内存总线周期来访问内存中未对齐的数据。

编译器对内存对齐的处理

    缺省情况下，c/c++编译器默认将结构、栈中的成员数据进行内存对齐。因此，上面的程序输出就变成了：
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008。
编译器将未对齐的成员向后移，将每一个都成员对齐到自然边界上，从而也导致了整个结构的尺寸变大。尽管会牺牲一点空间（成员之间有空洞），但提高了性能。
也正是这个原因，我们不可以断言sizeof(foo) == 8。在这个例子中，sizeof(foo) == 12。

如何避免内存对齐的影响

    那么，能不能既达到提高性能的目的，又能节约一点空间呢？有一点小技巧可以使用。比如我们可以将上面的结构改成：

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
    这样一来，每个成员都对齐在其自然边界上，从而避免了编译器自动对齐。在这个例子中，sizeof(bar) == 8。

    这个技巧有一个重要的作用，尤其是这个结构作为API的一部分提供给第三方开发使用的时候。第三方开发者可能将编译器的默认对齐选项改变，从而造成这个结构在你的发行的DLL中使用某种对齐方式，而在第三方开发者哪里却使用另外一种对齐方式。这将会导致重大问题。
    比如，foo结构，我们的DLL使用默认对齐选项，对齐为
c1 00000000, s 00000002, c2 00000004, i 00000008，同时sizeof(foo) == 12。
而第三方将对齐选项关闭，导致
    c1 00000000, s 00000001, c2 00000003, i 00000004，同时sizeof(foo) == 8。

如何使用c/c++中的对齐选项

    vc6中的编译选项有 /Zp[1|2|4|8|16] ，/Zp1表示以1字节边界对齐，相应的，/Zpn表示以n字节边界对齐。n字节边界对齐的意思是说，一个成员的地址必须安排在成员的尺寸的整数倍地址上或者是n的整数倍地址上，取它们中的最小值。也就是：
    min ( sizeof ( member ),  n)
    实际上，1字节边界对齐也就表示了结构成员之间没有空洞。
    /Zpn选项是应用于整个工程的，影响所有的参与编译的结构。
    要使用这个选项，可以在vc6中打开工程属性页，c/c++页，选择Code Generation分类，在Struct member alignment可以选择。

    要专门针对某些结构定义使用对齐选项，可以使用#pragma pack编译指令。指令语法如下：
#pragma pack( [ show ] | [ push | pop ] [, identifier ] , n  )
    意义和/Zpn选项相同。比如：

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()

栈内存对齐

    我们可以观察到，在vc6中栈的对齐方式不受结构成员对齐选项的影响。（本来就是两码事）。它总是保持对齐，而且对齐在4字节边界上。

验证代码

#include <stdio.h>

struct foo
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};

struct bar
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};

#pragma pack(1)
struct foo_pack
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
#pragma pack()


int main(int argc, char* argv[])
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;

    struct foo a;
    struct bar b;
    struct foo_pack p;

    printf("stack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&c1 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&s - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&c2 - (unsigned int)(void*)&i,
        (unsigned int)(void*)&i - (unsigned int)(void*)&i);

    printf("struct foo c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&a.c1 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.s - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.c2 - (unsigned int)(void*)&a,
        (unsigned int)(void*)&a.i - (unsigned int)(void*)&a);

    printf("struct bar c1 %p, c2 %p, s %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&b.c1 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.c2 - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.s - (unsigned int)(void*)&b,
        (unsigned int)(void*)&b.i - (unsigned int)(void*)&b);

    printf("struct foo_pack c1 %p, s %p, c2 %p, i %p/n",
        (unsigned int)(void*)&p.c1 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.s - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.c2 - (unsigned int)(void*)&p,
        (unsigned int)(void*)&p.i - (unsigned int)(void*)&p);

    printf("sizeof foo is %d/n", sizeof(foo));
    printf("sizeof bar is %d/n", sizeof(bar));
    printf("sizeof foo_pack is %d/n", sizeof(foo_pack));
    
    return 0;
}

---转自 快哉风

为了能使CPU对变量进行高效快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，
即所谓的“对齐”。例如对于4字节的int类型变量，其起始地址应位于4字节边界上，
即起始地址能够被4整除。变量的对齐规则如下（32位系统）：

Type
Alignment

char
在字节边界上对齐

short (16-bit)
在双字节边界上对齐

int and long (32-bit)
在4字节边界上对齐

float
在4字节边界上对齐

double
在8字节边界上对齐

 

structures
单独考虑结构体的个成员，它们在不同的字节边界上对齐。
其中最大的字节边界数就是该结构的字节边界数。
MSDN原话：Largest alignment requirement of any member    
理解结构体的对齐方式有点挠头，如果结构体中有结构体成员，
那么这是一个递归的过程。
对齐方式影响结构体成员在结构体中的偏移设编译器设定的最大对齐字节边界数为n，
对于结构体中的某一成员item，它相对于结构首地址的实际字节对齐数目X应该满足
以下规则：

X = min（n， sizeof（item））

例如，对于结构体 struct {char a; int b} T;

当位于32位系统，n=8时：
a的偏移为0，
b的偏移为4，中间填充了3个字节, b的X为4；

当位于32位系统，n=2时：
a的偏移为0，
b的偏移为2，中间填充了1个字节，b的X为2；

结构体的sizeof
设结构体的最后一个成员为LastItem，其相对于结构体首地址的
偏移为offset（LastItem），其大小为sizeof(LastItem)，结构体的字节对齐数为N，
则：结构体的sizeof 为： 若offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)能够被N整除，
那么就是offset（LastItem）＋ sizeof(LastItem)，否则，在后面填充，
直到能够被N整除。

例如：32位系统，n=8，
结构体 struct {char a; char b;} T;
struct {char a; int b；} T1;
struct {char a; int b； char c;} T2;
sizeof(T) == 2; N = 1 没有填充
sizeof(T) == 8; N = 4 中间填充了3字节
sizeof(T2)==12； N = 4 中间，结尾各填充了3字节

注意：

1） 对于空结构体，sizeof ＝＝ 1；因为必须保证结构体的每一个实例在内存中都
有独一无二的地址。

2） 结构体的静态成员不对结构体的大小产生影响，因为静态变量的存储位置与
结构体的实例地址无关。

例如：

struct {static int I;} T; struct {char a; static int I;} T1;
sizeof(T) == 1; sizeof(T1) == 1;

3) 某些编译器支持扩展指令设置变量或结构的对齐方式，如VC，
   详见MSDN（alignment of structures）