内存寻址与内存对齐

以64位的CPU为例进行简单说明。
char       1字节
int          4字节
long       8字节

内存寻址

疑问：
在学习C语言结构体时提到了内存对齐，有如下说法：

对这段话的疑问是，为什么寻址的时候一定要是4的倍数呢，我从地址编号1的内存位置往后读取4个字节不是也行嘛？

现在假设内存寻址读取时可以从任意地址开始，结果将会如下所示：

就如深颜色框中所示，如果从“地址0”开始读取4位，然后再从“地址1”读取四位.......可以看出知道“地址4”，之前的读取都会出现重复读取。

所以，以4的倍数进行内存寻址，可以以最快的速度寻址：不遗漏一个字节，也不会重复对一个字节寻址

内存对齐

比方说如下代码：

#include <stdio.h> 
int main() {
    char str;
    int num;
    printf("%o\n", &str);
    printf("%o\n", &num);
    return 0;
}

假设内存段长这样：

预计输出结果我想的应该是如下图所示，一个类型紧挨着一个类型，也就是说应该相差一个地址：

但实际却不是，运行结果为：

str 的内存地址：30377437
num 的内存地址：30377430

可见，明显相差了 7 个地址

而关于为什么str的内存地址比num的要大，后面再说了。
从上图可以看出，已经发生了所谓的“内存对齐”的现象。

首先来了解一下数据总线和地址总线的概念。

上图是CPU、地址总线和数据总线的关系图。
数据总线通俗来讲就是传输数据的线路，而CPU到内存之间如果是64位操作系统的话就会有64根数据总线相连，32位的话则是32根；而每一根数据总线所能传输的就是0和1两种，64根数据总线代表着64个bit位，64bit = 8byte；所以，每次CPU能读取的数据就是8个字节大小，这点很重要。
地址总线同样的，64根地址总线连接CPU和内存，也就可以代表有2的64次方个地址。

先假设每一个类型的变量都一个紧挨着一个的在内存中存储，那么，如果按照上述代码的话，存储的时候，char会在“编号0”地址上，int会在“编号1”地址上，当读取的时候，一次性读取8字节大小数据，只需要读取一遍就可以把两个变量都能内存中读取出来，这样看来不是也挺好的吗？

现在再来看另外一段代码：

#include <stdio.h> 
int main() {
    char str;
    long num;
    printf("%o\n", &str);
    printf("%o\n", &num);
    return 0;
}

这一段代码中，我们把原先的int类型的num改成了long类型的，long类型在64位操作系统中占据8字节大小。

想象一下，按照一个紧挨着一个的话，会是怎样？

如上图所示，那么CPU按照一次性8字节读取的时候，如果我们想要读取long类型的变量，那么根据内存寻址规则，需要对8的倍数的内存寻址（64位操作系统的寻址步长是8，32位则是4），也就是说我们要去“地址0”上读取8个字节数据，获取long类型对应的字节内容A，然后再去“地址8”上读取8个字节数据，获取long类型对应的字节内容B，最后组合A和B得到最终的long数据。图示如下：

也就是说需要两次读取，并且还要重组才能获取到long这个数据。

那如果采用“内存对齐”填充的方式呢？再来看一张图：

采用“内存对齐”后，从“地址8”开始读取8个字节大小数据，由于long在64位系统中正好占据8个字节内存大小，所以只要读取这一次就可以获取需要的数据了。而灰色部分，从地址1到地址7就是内存填充后浪费的部分。换句话就是“以空间换时间”。

这时候还不算完，下面再来看一段代码吧：

#include <stdio.h> 
int main() {
    long num;
    int num1;
    char str;
    printf("%o\n", &num);
    printf("%o\n", &num1);
    printf("%o\n", &str);
    return 0;
}

上述代码中增加了一个int类型，并且声明顺序是按照内存大小从大到小的，与之前的代码生命顺序相反，我们来看看结果：

num 的内存地址：30377434
num1 的内存地址：30377430
str 的内存地址：30377427

可以看到，long和int相差7， int和char相差4，存储结构类似下图：

红色是long 8字节，蓝色是int 4字节，黄色是char 1字节。内存非常充分的利用起来了，完全没有填充浪费。

所以，在定义数据时，最好是按照内存大小从大到小来进行声明

以上理解并不全面，日后补充，都不是最终定论。