什么是數據對齊？

一般情況下，當我們定義一個變量，編譯器會按照默認的地址對齊方式，來給該變量分配一個存儲空間地址。如果該變量是一個 int 型數據，那么編譯器就會按4字節或4字節的整數倍對齊；如果該變量是一個 short 型數據，那么編譯器就會按2字節或2字節的整數倍邊界對齊；如果是一個 char 類型的變量，那么編譯器就會按照1字節對齊。

#include <stdio.h>int a = 1; int b = 2; char c1 = 3; char c2 = 4; int main(void) {printf("a: %p\n",&a);printf("b: %p\n",&b);printf("c1:%p\n",&c1);printf("c2:%p\n",&c2);return 0; }

在上面的程序中，我們分別定義2個 int 型變量，2個 char 型變量，然后分別打印它們的地址，運行結果如下。

a: 00402000 b: 00402004 c1: 00402008 c2: 00402009

通過運行結果我們可以看到，對于 int 型數據，其在內存中的地址都是以4字節或4字節整數倍對齊的。而 char 類型的數據，其在內存中是以1字節對齊的。變量 c2 就直接分配到了 c1 變量的下一個存儲單元，不用像 int 數據那樣考慮4字節對齊。接下來，我們修改一下程序，指定變量 c2 按4字節對齊。

#include <stdio.h>int a = 1; int b = 2; char c1 = 3; char c2 __attribute__((aligned(4))) = 4; int main(void) {printf("a: %p\n",&a);printf("b: %p\n",&b);printf("c1:%p\n",&c1);printf("c2:%p\n",&c2);return 0; }

運行結果如下。

a: 00402000 b: 00402004 c1: 00402008 c2: 0040200C

通過運行結果可以看到，字符變量 c2 由于使用 aligned 屬性聲明按照4字節邊界對齊，所以編譯器不可能再給其分配 0x00402009 這個地址，因為這個地址不是4字節對齊的。編譯器空出3個字節單元，直接從 0x0040200C 這個地址上給變量 c2 分配存儲空間。

為什么要數據對齊？

通過 aligned 這個屬性聲明，我們雖然可以顯式指定變量的地址對齊方式，但是也會因邊界對齊造成一定的內存空洞，浪費一定的內存空間。比如在上面這個程序中，0x00402009~0x0040200b 這三個地址空間的存儲單元就沒有被使用。

既然地址對齊會造成一定的內存空洞，那我們為什么還要按照這種對齊方式去存儲數據呢？
一個主要原因就是，這種對齊設置可以簡化 CPU 和內存 RAM 之間的接口和硬件設計。比如一個32位的計算機系統，CPU 讀取內存時，硬件設計上可能只支持4字節或4字節倍數對齊的地址訪問，CPU 每次往內存 RAM 讀寫數據時，一個周期可以讀寫4個字節。如果我們把一個數據放在4字節對齊的地址上，那么CPU一次就可以把數據讀寫完畢；如果我們把一個 int 型數據放在一個非4字節對齊的地址上，那 CPU 就要分2次才能把這個4字節大小的數據讀寫完畢。

為了配合計算機的硬件設計，編譯器在編譯程序時，對于一些基本數據類型，比如 int、char、short、float 等，會按照其數據類型的大小進行地址對齊，按照這種地址對齊方式分配的存儲地址，CPU一次就可以讀寫完畢。雖然邊界對齊會造成一些內存空洞，浪費一些內存單元，但是在硬件上的設計卻大大簡化了。這也是編譯器給我們定義的變量分配地址時，不同類型變量按不同字節數地址對齊的原因。除了 int、char、short、float 這些基本類型數據，對于一些復合類型數據，也要滿足地址對齊要求。

總結

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