C 記憶體對齊

在c語言程式開發中，有時有經驗的程式設計師會提起「記憶體對齊」一詞，事實上，這也是c語言中結構體的 size 不等於它所有成員 size 之和的原因（c語言中的結構體的size，並不等於它所有成員size之和，為什麼？），那麼，c語言程式為什麼要「記憶體對齊」呢？

我們先看下面程式的輸出:

#include struct a;
int main()

在32位機器上char 佔1個位元組，int 佔4個位元組，short佔2個位元組，一共占用7個位元組.但是實際真的是這樣嗎？

測試輸出的結果是a: 12, 比計算的7多了5個位元組。這個就是因為編譯器在編譯的時候進行了記憶體對齊導致的。

在32位系統中，1個記憶體單元的長度是8bits，佔乙個位元組。下圖展示了記憶體單元的實際面貌

cpu訪問記憶體時，並不是逐個位元組訪問，而是以字長（word size）為單位訪問。比如32位的cpu，字長為4位元組，那麼cpu訪問記憶體的單位也是4位元組。這麼設計的目的，是減少cpu訪問記憶體的次數，加大cpu訪問記憶體的吞吐量。

再比如同樣讀取8個位元組的資料，一次讀取4個位元組那麼就需要讀取2次。具體如下圖所示：

定義：現代計算機中記憶體空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對任何型別的變數的訪問可以從任何位址開始，但實際情況是在訪問特定變數的時候經常在特定的記憶體位址訪問，這就需要各型別資料按照一定的規則在空間上排列，而不是順序的乙個接乙個的排放，這就是對齊。

各個硬體平台對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平台對某些特定型別的資料只能從某些特定位址開始訪問。其他平台可能沒有這種情況，但是最常見的是如果不按照適合其平台要求對資料存放進行對齊，會在訪問效率上帶來損失。比如有些平台每次讀都是從偶位址開始，如果乙個int型（假設為32位系統）如果存放在偶位址開始的地方，那麼乙個讀週期就可以讀出，而如果存放在奇位址開始的地方，就可能會需要2個讀週期，並對兩次讀出的結果的高低位元組進行拼湊才能得到該int資料。顯然在讀取效率上下降很多。這也是空間和時間的博弈。

我們假設cpu以4位元組為單位讀取記憶體。如果變數在記憶體中的布局按4位元組對齊，那麼讀取a變數只需要讀取一次記憶體，即word1；讀取b變數也只需要讀取一次記憶體，即word2。

而如果變數不做記憶體對齊，那麼讀取a變數也只需要讀取一次記憶體，即word1；但是讀取b變數時，由於b變數跨越了2個word，所以需要讀取兩次記憶體，分別讀取word1和word2的值，然後將word1偏移取後3個位元組，word2偏移取前1個位元組，最後將它們做或操作，拼接得到b變數的值。

顯然，記憶體對齊在某些情況下可以減少讀取記憶體的次數以及一些運算，效能更高。

另外，由於記憶體對齊保證了讀取b變數是單次操作，在多核環境下，原子性更容易保證。

記憶體對齊主要遵循下面三個原則:

結構體變數的起始位址能夠被其最寬的成員大小整除

結構體每個成員相對於起始位址的偏移能夠被其自身大小整除，如果不能則在前乙個成員後面補充位元組

結構體總體大小能夠被最寬的成員的大小整除，如不能則在後面補充位元組

其實這裡有點不嚴謹，編譯器在編譯的時候是可以指定對齊大小的，實際使用的有效對齊其實是取指定大小和自身大小的最小值，一般預設的對齊大小是4。

#pragma pack(n)
n 值 1 2 4 8 16......
預設linux pack(4) windows pack(8)

基本資料型別所佔記憶體大小

舉例說明這些規則

#pragma pack(4)
struct node;
struct node n;
printf("%d\n",sizeof(n));

n=12

pragma pack(4)
struct node;
struct node n;
printf("%d\n",sizeof(n));

n=12

//將對齊位數強制定位2
#pragma pack(2)
struct node;
struct node n;
printf("%d\n",sizeof(n));

n=10

#pragma pack(1)
struct node;
struct node n;
printf("%d\n",sizeof(n));

n=8

但是記憶體對齊提公升效能的同時，也需要付出相應的代價。由於變數與變數之間增加了填充，並沒有儲存真實有效的資料，所以占用的記憶體會更大。這也是乙個典型的空間換時間的應用場景。

參考：

C 記憶體對齊

C 記憶體對齊

c 記憶體對齊

C 記憶體對齊

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