?內(nèi)存地址對齊，是一種在計算機內(nèi)存中排列數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為變量的地址）、訪問數(shù)據(jù)（表現(xiàn)為CPU讀取數(shù)據(jù)）的一種方式，包含了兩種相互獨立又相互關(guān)聯(lián)的部分：基本數(shù)據(jù)對齊和結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對齊 。

? ? ? ?為什么需要內(nèi)存對齊？對齊有什么好處？是我們程序員來手動做內(nèi)存對齊呢？還是編譯器在進行自動優(yōu)化的時候完成這項工作？

? ? ? ?在現(xiàn)代計算機體系中，每次讀寫內(nèi)存中數(shù)據(jù)，都是按字（word，4個字節(jié)，對于X86架構(gòu)，系統(tǒng)是32位，數(shù)據(jù)總線和地址總線的寬度都是32位，所以最大的尋址空間為232 = 4GB（也 許有人會問，我的32位XP用不了4GB內(nèi)存，關(guān)于這個不在本篇博文討論范圍），按A[31,30…2,1,0]這樣排列，但是請注意為了CPU每次讀寫 4個字節(jié)尋址，A[0]和A[1]兩位是不參與尋址計算的。）為一個塊（chunks）來操作（而對于X64則是8個字節(jié)為一個快）。注意，這里說的 CPU每次讀取的規(guī)則，并不是變量在內(nèi)存中地址對齊規(guī)則。既然是這樣的，如果變量在內(nèi)存中存儲的時候也按照這樣的對齊規(guī)則，就可以加快CPU讀寫內(nèi)存的速 度，當(dāng)然也就提高了整個程序的性能，并且性能提升是客觀，雖然當(dāng)今的CPU的處理數(shù)據(jù)速度(是指邏輯運算等,不包括取址)遠比內(nèi)存訪問的速度快，程序的執(zhí) 行速度的瓶頸往往不是CPU的處理速度不夠，而是內(nèi)存訪問的延遲，雖然當(dāng)今CPU中加入了高速緩存用來掩蓋內(nèi)存訪問的延遲，但是如果高密集的內(nèi)存訪問，一 種延遲是無可避免的，內(nèi)存地址對齊會給程序帶來了很大的性能提升。

? ? ? ?內(nèi)存地址對齊是計算機語言自動進行的，也即是編譯器所做的工作。但這不意味著我們程序員不需要做任何事情，因為如果我們能夠遵循某些規(guī)則，可以讓編譯器做得更好，畢竟編譯器不是萬能的。

? ? ? ?為了更好理解上面的意思，這里給出一個示例。在32位系統(tǒng)中，假如一個int變量在內(nèi)存中的地址是0x00ff42c3,因為int是占用4個字節(jié)，所以它的尾地址應(yīng)該是0x00ff42c6，這個時候CPU為了讀取這個int變量的值，就需要先后讀取兩個word大小的塊，分別是0x00ff42c0~0x00ff42c3和0x00ff42c4~0x00ff42c7，然后通過移位等一系列的操作來得到，在這個計算的過程中還有可能引起一些總線數(shù)據(jù)錯誤的。但是如果編譯器對變量地址進行了對齊，比如放在0x00ff42c0，CPU就只需要一次就可以讀取到，這樣的話就加快讀取效率。

? ? ? ?1、基本數(shù)據(jù)對齊
? ? ? ? ? ? ? ? ?在X86，32位系統(tǒng)下基于Microsoft、Borland和GNU的編譯器，有如下數(shù)據(jù)對齊規(guī)則：
? ? ? ? ? ? ? ? ?a、一個char（占用1-byte）變量以1-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?b、一個short（占用2-byte）變量以2-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?c、一個int（占用4-byte）變量以4-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?d、一個long（占用4-byte）變量以4-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?e、一個float（占用4-byte）變量以4-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?f、一個double（占用8-byte）變量以8-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?g、一個long double（占用12-byte）變量以4-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?h、任何pointer（占用4-byte）變量以4-byte對齊。

? ? ? ? ? ? ? ? 而在64位系統(tǒng)下，與上面規(guī)則對比有如下不同：
? ? ? ? ? ? ? ? ?a、一個long（占用8-byte）變量以8-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?b、一個double（占用8-byte）變量以8-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?c、一個long double（占用16-byte）變量以16-byte對齊。
? ? ? ? ? ? ? ? ?d、任何pointer（占用8-byte）變量以8-byte對齊。

? ? ? ?2、結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對齊
? ? ? ?結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對齊，是指結(jié)構(gòu)體內(nèi)的各個數(shù)據(jù)對齊。在結(jié)構(gòu)體中的第一個成員的首地址等于整個結(jié)構(gòu)體的變量的首地址，而后的成員的地址隨著它聲明的順序和實際占用的字節(jié)數(shù)遞增。為了總的結(jié)構(gòu)體大小對齊，會在結(jié)構(gòu)體中插入一些沒有實際意思的字符來填充（padding）結(jié)構(gòu)體。

? ? ? ?在結(jié)構(gòu)體中，成員數(shù)據(jù)對齊滿足以下規(guī)則：
? ? ? ? a、結(jié)構(gòu)體中的第一個成員的首地址也即是結(jié)構(gòu)體變量的首地址。
? ? ? ? b、結(jié)構(gòu)體中的每一個成員的首地址相對于結(jié)構(gòu)體的首地址的偏移量（offset）是該成員數(shù)據(jù)類型大小的整數(shù)倍。
? ? ? ? c、結(jié)構(gòu)體的總大小是對齊模數(shù)（對齊模數(shù)等于#pragma pack(n)所指定的n與結(jié)構(gòu)體中最大數(shù)據(jù)類型的成員大小的最小值）的整數(shù)倍。

?

? ?7: ?struct

? ?8: ?{
? ?9: ? ? ?char a;
? 10: ? ? ?int b;
? 11: ? ? ?short c;
? 12: ? ? ?char d;
? 13: ?}dataAlign;
? 14: ??
? 15: ?struct
? 16: ?{
? 17: ? ? ?char a;
? 18: ? ? ?char d;
? 19: ? ? ?short c;
? 20: ? ? ?int b;
? 21: ? ? ?
? 22: ?}dataAlign2;

? ? ? ?仔細觀察，會發(fā)現(xiàn)雖然是一樣的數(shù)據(jù)類型的成員，只不過聲明的順序不同，結(jié)構(gòu)體占用的大小也不同，一個8-byte一個12-byte。為什么這樣，下面進行具體分析。 ?
? ? ? ?首先來看dataAlign2，第一個成員的地址等于結(jié)構(gòu)體變量的首地址，第二個成員char類型，為了滿足規(guī)則b，它相對于結(jié)構(gòu)體的首地址的偏移量必須 是char=1的倍數(shù)，由于前面也是char，故不需要在第一個和第一個成員之間填充，直接滿足條件。第三個成員short=2如果要滿足規(guī)則b，也不需 要填充，因為它的偏移量已經(jīng)是2。同樣第四個也因為偏移量int=4，不需要填充，這樣結(jié)構(gòu)體總共大小為8-byte。最后來驗證規(guī)則c，在VC中默認 的#pragma pack(n)中的n=8，而結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)類型大小最大的為第四個成員int=4，故對齊模數(shù)為4,并且8 mode 4 = 0，所以滿足規(guī)則c。這樣整個結(jié)構(gòu)體的總大小為8。

? ? ? ?對于dataAlign，第一個成員等于結(jié)構(gòu)體變量首地址，偏移量為0，第二個成員為int=4，為了滿足規(guī)則b，需要在第一個成員之后填充3-byte，讓它相對于結(jié)構(gòu)體首地址偏移量為4，結(jié)合運行結(jié)果，可知&dataAlign.a = 0x01109140，而&dataAlign.b = 0x01109144，它們之間相隔4-byte，0x01109141~0x01109143三個字節(jié)被0填 充。第三個成員short=2，無需填充滿足規(guī)則b。第四個成員char=1，也不需要填充。結(jié)構(gòu)體總大小相加4 + 4 + 2 + 1 = 11。同樣最后需要驗證規(guī)則c，結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)類型大小最大為第二個成員int=4，比VC默認對齊模數(shù)8小，故這個結(jié)構(gòu)體的對齊模數(shù)仍然為4，顯然11 mode 4 != 0，故為了滿足規(guī)則c，需要在char后面填充一個字節(jié)，這樣結(jié)構(gòu)體變量dataAlign的總大小為4 + 4 + 2 + 2 = 12。

總結(jié)

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