C/C++你必须知道的小知识(12)

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1. 什么是内存对齐？

   那么什么是字节对齐？在C语言中，结构体是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如数组、结构体、联合体等）的数据单元。在结构体中，编译器为结构体的每个成员按其自然边界（alignment）分配空间。 各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构体的地址相同。

   为了使CPU能够对变量进行快速的访问，变量的起始地址应该具有某些特性，即所谓的“对齐”，比如4字节的int型，其起始地址应该位于4字节的边界上，即起始地址能够被4整除，也即“对齐”跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址正好位于它长度的整数倍，他就被称做自然对齐。

   比如在32位cpu下，假设一个整型变量的地址为0x00000004(为4的倍数)，那它就是自然对齐的，而如果其地址为0x00000002（非4的倍数）则是非对齐的。现代计算机中内存空间都是按照byte划分的，从理论上讲似乎对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是在访问特定类型变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐。

2. 为什么要字节对齐？

   需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。假设上面整型变量的地址不是自然对齐，比如为0x00000002，则CPU如果取它的值的话需要访问两次内存，第一次取从0x00000002-0x00000003的一个short，第二次取从0x00000004-0x00000005的一个short然后组合得到所要的数据，如果变量在0x00000003地址上的话则要访问三次内存，第一次为char，第二次为short，第三次为char，然后组合得到整型数据。

   而如果变量在自然对齐位置上，则只要一次就可以取出数据。一些系统对对齐要求非常严格，比如sparc系统，如果取未对齐的数据会发生错误，而在x86上就不会出现错误，只是效率下降。

   各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同。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。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位系统）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这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要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32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

3. 字节对齐实例

   union example {  
       int a[5];  
       char b;  
       double c;  
   };  
   int result = sizeof(example);  
   /*
   如果以最长20字节为准，内部double占8字节，这段内存的地址0x00000020并不是double的整数倍，只有当最小为0x00000024时可以满足整除double（8Byte）同时又可以容纳int a[5]的大小，所以正确的结果应该是result=24
   */
   
   struct example {  
       int a[5];  
       char b;  
       double c;  
   }test_struct;
   int result = sizeof(test_struct);  
   /*
   如果我们不考虑字节对齐，那么内存地址0x0021不是double（8Byte）的整数倍，所以需要字节对齐，那么此时满足是double（8Byte）的整数倍的最小整数是0x0024，说明此时char b对齐int扩充了三个字节。所以最后的结果是result=32
   */
   
   struct example {  
       char b;  
       double c;  
       int a;  
   }test_struct;  
   int result = sizeof(test_struct);  
   /*
   字节对齐除了内存起始地址要是数据类型的整数倍以外，还要满足一个条件，那就是占用的内存空间大小需要是结构体中占用最大内存空间的类型的整数倍，所以20不是double（8Byte）的整数倍，我们还要扩充四个字节，最后的结果是result=24
   */