C/C++数据对齐详细解析

Data Alignment

关于数据对齐问题，现在多多少少有了一些接触，简单地说下自己的看法。

1、对齐的背景

大端和小端的问题有必要在这里介绍一下，计算机里面每个地址单元对应着一个字节，一个字节为8bit，对于位数大于8位的处理器来说，寄存器的宽度是大于一个字节的，例如16bit的short型变量x，在内存中的地址是0x0010，x的值为0x1122，0x11为高字节，0x22为低字节，常用的X86结构是小端模式，很多ARM，DSP都是小端模式，而KEIL C51则为大端模式。内存空间是按照byte进行划分的，理论上对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际上访问特定变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各类型的数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序排列，这就是对齐。

2、对齐的原因

不同硬件平台对存储空间的处理是有很大不同的，一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。其他平台可能没有这种情况， 但是最常见的是如果不按照适合其平台的要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为 32位）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出，而如果存放在奇地址开始的地方，就可能会需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低 字节进行拼凑才能得到该int数据。显然在读取效率上下降很多。这也是空间和时间的博弈。

3、对齐的实现

通常我们在写代码的时候是不需要考虑对齐的影响的，都是依赖编译器来为我们选择适合的对齐策略，我们也可以通过传递给编译器预编译指令来指定数据对齐的方法。

以struct数据结构的sizeof方法为例，环境是Mac OS X 64位内核，结构体的定义如下：

struct A {
int a;
char b;
short c;
};

struct B {
char b;
int a;
short c;
};

#pragma pack(2)
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

#pragma pack(1)
struct D {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

int main(int argc, char** argv)
{
printf("size of struct A : %lu \n", sizeof(struct A));
printf("size of struct B : %lu \n", sizeof(struct B));
printf("size of struct C : %lu \n", sizeof(struct C));
printf("size of struct D : %lu \n", sizeof(struct D));
return 0;
}

输出：
size of struct A : 8
size of struct B : 12
size of struct C : 8
size of struct D : 7

结构体中包含了4字节长度的int一个，1字节长度的char一个以及2字节长度的short一个。加起来所用到的内存空间为7个字节，但实际使用sizeof时发现，结构体之间占用的内存是不一样的。

关于对齐有几个需要说明的：
（1）数据类型自身的对齐值：基本数据类型的自身对齐值，char类型为1，short类型为2，int，float，double为4；

（2）指定对齐值：#pragma pack(value)时的指定对齐值value；

（3）结构体或者类的自身对齐值：其成员中自身对齐值最大的那个值；

（4）数据成员、结构体和类的有效对齐值：自身对齐值或指定对齐值中较小值。

对于一个具体的数据结构的成员和其自身的对齐方式，有效对齐值N将最终决定数据存放地址的方式的值，对齐在N上就意味着数据“存放的起始地址%N=0”，

下面来针对上面的例子进行分析：
struct B {
char b;
int a;
short c;
};

假设B从地址空间0x0000开始，默认的对齐值是4（这里有个问题想请教大家，我的是64位的内核，但是测试我的默认对齐方式为4），第一个成员变量b的自身对齐值为1，比默认值小所以有效对齐值为1，存放地址0x0000%1=0，第二个成员变量a，自身对齐值为4，存放的起始地址为0x0004到0x0007这个4个连续的字节空间中，0x0004%4=0，第三个变量c，自身对齐值为2，存放的起始地址为0x0008到0x0009，地址同样符合要求。结构体Ｂ的自身对齐值为变量中的最大对齐值（ｂ）4，（10+2）％4=0，所以0x000A到0x000B也是被结构体B占用。
内存中的示意图：
b - - -
a a a a
c c

#pragma pack(2)
struct C {
char b;
int a;
short c;
};
#pragma pack()

第一个变量b的自身对齐值为1，指定对齐值为2，有效对齐值为1，b存放在0x0000，a的自身对齐值为4，大于指定对齐值，所有有效的对齐值为2，a占有的字节为0x0002、0x0003、0x0004、0x0005四个连续字节中，c的自身对齐值为2，所以有效对齐值也是2，顺序存放在0x0006、0x0007。结构体C的自身对齐值为4，所以有效对齐值为2，8%2=0。
内存中的示意图：
b -
a a
a a
c c

其实想到内存中的示意图一切都会简单很多。