首先由一個(gè)程序引入話題：

    
1 //環(huán)境：vc6 + windows sp2
 2 //程序1
 3 #include <iostream>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 struct st1 
 8 {
 9     char a ;
10     int  b ;
11     short c ;
12 };
13 
14 struct st2
15 {
16     short c ;
17     char  a ;
18     int   b ;
19 };
20 
21 int main()
22 {
23     cout<<"sizeof(st1) is "<<sizeof(st1)<<endl;
24     cout<<"sizeof(st2) is "<<sizeof(st2)<<endl;
25     return 0 ;
26 }


  

程序的輸出結(jié)果為：

sizeof(st1) is 12
sizeof(st2) is 8

問題出來(lái)了，這兩個(gè)一樣的結(jié)構(gòu)體，為什么sizeof的時(shí)候大小不一樣呢？

本文的主要目的就是解釋明白這一問題。


內(nèi)存對(duì)齊，正是因?yàn)閮?nèi)存對(duì)齊的影響，導(dǎo)致結(jié)果不同。

對(duì)于大多數(shù)的程序員來(lái)說(shuō)，內(nèi)存對(duì)齊基本上是透明的，這是編譯器該干的活，編譯器為程序中的每個(gè)數(shù)據(jù)單元安排在合適的位置上，從而導(dǎo)致了相同的變量，不同聲明順序的結(jié)構(gòu)體大小的不同。

那么編譯器為什么要進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊呢？程序1中結(jié)構(gòu)體按常理來(lái)理解sizeof(st1)和sizeof(st2)結(jié)果都應(yīng)該是7，4(int) + 2(short) + 1(char) = 7 。經(jīng)過內(nèi)存對(duì)齊后，結(jié)構(gòu)體的空間反而增大了。

在解釋內(nèi)存對(duì)齊的作用前，先來(lái)看下內(nèi)存對(duì)齊的規(guī)則：

<!--[if !supportLists]-->1、? <!--[endif]-->對(duì)于結(jié)構(gòu)的各個(gè)成員，第一個(gè)成員位于偏移為0的位置，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的偏移量必須是min(#pragma pack()指定的數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)成員的自身長(zhǎng)度) 的倍數(shù)。

<!--[if !supportLists]-->2、? <!--[endif]-->在數(shù)據(jù)成員完成各自對(duì)齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。

#pragma pack(n) 表示設(shè)置為n字節(jié)對(duì)齊。 VC6默認(rèn)8字節(jié)對(duì)齊


以程序1為例解釋對(duì)齊的規(guī)則 ：

St1 ：char占一個(gè)字節(jié)，起始偏移為0 ，int 占4個(gè)字節(jié)，min(#pragma pack()指定的數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)成員的自身長(zhǎng)度) = 4（VC6默認(rèn)8字節(jié)對(duì)齊），所以int按4字節(jié)對(duì)齊，起始偏移必須為4的倍數(shù)，所以起始偏移為4，在char后編譯器會(huì)添加3個(gè)字節(jié)的額外字節(jié)，不存放任意數(shù)據(jù)。short占2個(gè)字節(jié)，按2字節(jié)對(duì)齊，起始偏移為8，正好是2的倍數(shù)，無(wú)須添加額外字節(jié)。到此規(guī)則1的數(shù)據(jù)成員對(duì)齊結(jié)束，此時(shí)的內(nèi)存狀態(tài)為：

oxxx|oooo|oo
0123 4567 89 （地址）

（x表示額外添加的字節(jié)）

共占10個(gè)字節(jié)。還要繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)本身的對(duì)齊，對(duì)齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行，st1結(jié)構(gòu)中最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度為int，占4字節(jié)，而默認(rèn)的#pragma pack 指定的值為8，所以結(jié)果本身按照4字節(jié)對(duì)齊，結(jié)構(gòu)總大小必須為4的倍數(shù)，需添加2個(gè)額外字節(jié)使結(jié)構(gòu)的總大小為12 。此時(shí)的內(nèi)存狀態(tài)為：

oxxx|oooo|ooxx
0123 4567 89ab? （地址）

到此內(nèi)存對(duì)齊結(jié)束。St1占用了12個(gè)字節(jié)而非7個(gè)字節(jié)。
St2 的對(duì)齊方法和st1相同，讀者可自己完成。

內(nèi)存對(duì)齊的主要作用是：

<!--[if !supportLists]-->1、? <!--[endif]-->平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

<!--[if !supportLists]-->2、? <!--[endif]-->性能原因：經(jīng)過內(nèi)存對(duì)齊后，CPU的內(nèi)存訪問速度大大提升。具體原因稍后解釋。

圖一：

這是普通程序員心目中的內(nèi)存印象，由一個(gè)個(gè)的字節(jié)組成，而CPU并不是這么看待的。

圖二：

CPU把內(nèi)存當(dāng)成是一塊一塊的，塊的大小可以是2，4，8，16字節(jié)大小，因此CPU在讀取內(nèi)存時(shí)是一塊一塊進(jìn)行讀取的。塊大小成為memory access granularity（粒度） 本人把它翻譯為“內(nèi)存讀取粒度” 。

假設(shè)CPU要讀取一個(gè)int型4字節(jié)大小的數(shù)據(jù)到寄存器中，分兩種情況討論：

<!--[if !supportLists]-->1、<!--[endif]-->數(shù)據(jù)從0字節(jié)開始

<!--[if !supportLists]-->2、<!--[endif]-->數(shù)據(jù)從1字節(jié)開始

再次假設(shè)內(nèi)存讀取粒度為4。

圖三：

當(dāng)該數(shù)據(jù)是從0字節(jié)開始時(shí)，很CPU只需讀取內(nèi)存一次即可把這4字節(jié)的數(shù)據(jù)完全讀取到寄存器中。

??? 當(dāng)該數(shù)據(jù)是從1字節(jié)開始時(shí)，問題變的有些復(fù)雜，此時(shí)該int型數(shù)據(jù)不是位于內(nèi)存讀取邊界上，這就是一類內(nèi)存未對(duì)齊的數(shù)據(jù)。

圖四：

此時(shí)CPU先訪問一次內(nèi)存，讀取0—3字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)寄存器，并再次讀取4—5字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)寄存器，接著把0字節(jié)和6，7，8字節(jié)的數(shù)據(jù)剔除，最后合并1，2，3，4字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)寄存器。對(duì)一個(gè)內(nèi)存未對(duì)齊的數(shù)據(jù)進(jìn)行了這么多額外的操作，大大降低了CPU性能。

??? 這還屬于樂觀情況了，上文提到內(nèi)存對(duì)齊的作用之一為平臺(tái)的移植原因，因?yàn)橐陨喜僮髦挥杏胁糠諧PU肯干，其他一部分CPU遇到未對(duì)齊邊界就直接down掉了。

內(nèi)存對(duì)齊的規(guī)則以及作用