内存对齐、内存对齐规则解释、内存对齐原理

一、内存对齐的原因

我们都知道计算机是以字节（Byte）为单位划分的，理论上来说CPU是可以访问任一编号的字节数据的，我们又知道CPU的寻址其实是通过地址总线来访问内存的，CPU又分为32位和64位，在32位的CPU一次可以处理4个字节（Byte）的数据，那么CPU实际寻址的步长就是4个字节，也就是只对编号是4的倍数的内存地址进行寻址。同理64位的CPU的寻址步长是8字节，只对编号是8的倍数的内存地址进行寻址,如下图所示是64位CPU的寻址示意图：

这样做可以实现最快速的方式寻址且不会遗漏一个字节，也不会重复寻址。

那么对于程序而言，一个变量的数据存储范围是在一个寻址步长范围内的话，这样一次寻址就可以读取到变量的值，如果是超出了步长范围内的数据存储，就需要读取两次寻址再进行数据的拼接，效率明显降低了。例如一个double类型的数据在内存中占据8个字节，如果地址是8，那么好办，一次寻址就可以了，如果是20呢，那就需要进行两次寻址了。这样就产生了数据对齐的规则，也就是将数据尽量的存储在一个步长内，避免跨步长的存储，这就是内存对齐。在32位编译环境下默认4字节对齐，在64位编译环境下默认8字节对齐。

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二、对齐规则
1：数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的偏移为 #pragma pack 指定的数值和这个数据成员自身长度中较小那个的整数倍。
2：数据成员为结构体：如果结构体的数据成员还为结构体，则该数据成员的“自身长度”为其内部最大元素的大小。(struct a 里存有 struct b，b 里有char,int,double等元素，那 b “自身长度”为 8)
3：结构体的整体对齐规则：在数据成员按照 #1 完成各自对齐之后，结构体本身也要进行对齐。对齐会将结构体的大小增加为 #pragma pack 指定的数值和结构体最大数据成员长度中较小那个的整数倍。

（看不懂没关系，因为我也没看懂，也是打印之后才明白）

三、实例

typedef struct test1 {char a;//1int b;//4字节double c;//8char d[11];//11
}Test1;//数据成员int main(int argc, const char * argv[]) {Test1 t1;//xcode默认对齐系数8，即#pragma pack（8）//char a,     1<8按1对齐，offset=0            [0]//int b,      4<8按4对齐，char a占到[0]，int b应该从地址1开始排, 地址1不是对齐数4的倍数，所以int b的首地址是从4的最小倍数开始，所以offset=4，       [4...7];//double c,   8=8按8对齐，int b已经占到[4...7]，double c从地址8开始排，地址8是对齐数8的倍数，所以double c的首地址是从8的最小倍数开始，offse=8             [8...15]//char d[11], 1<8按1对齐，double c已经占到[8...15]， char d[11]从地址16开始，地址16是对齐数1的倍数，所以char d的,offset=16，          存储位置[16...26]//最后为27位，又因为27不是内部最大成员中double 8位字节的倍数，所以补齐为32）printf(" %lu\n %p\n %p\n %p\n %p\n", sizeof(t1), &t1.a, &t1.b, &t1.c, &t1.d);return 0;
}

结果：

 320x7ffeefbff5680x7ffeefbff56c0x7ffeefbff5700x7ffeefbff578

以首地址0x7ffeefbff568为offset=0，
0x68=104,
0x6c=108,
0x70=112,
0x78=120,
0x7ffeefbff56c相对于0x7ffeefbff568便宜了4，
0x7ffeefbff570相对于0x7ffeefbff568便宜了8，
0x7ffeefbff578相对于0x7ffeefbff568偏移了16，符合规律
上面int b正好偏移4，double c正好偏移8，比较凑巧，如果char a[5]呢，使地址正好措开，此时int b应该是[8…13]，double c应该是[16…23], char d[11]应该是[24…34],34不是最大double c的整数倍，补齐到最小倍数40，所以结构体的大小应该是40.

 400x7ffeefbff5600x7ffeefbff5680x7ffeefbff5700x7ffeefbff578
Program ended with exit code: 0

在结构体struct Test1中添加一个结构体Test2，看下结果：

typedef struct test2 {char a[13];//1      [0...13]double b;//8        [16...23]int c[11];//4       [24...67]float d;//4         [68...71]
}Test2;typedef struct test1 {char a[5];//1       [0...4]int b;//4           [8...11]double c;//8        [16...23]char d[11];//11     [24...34]Test2 t2;//         [40...111] Test2的'自身长度'为double b=8,所以从8的最小倍数开始，即40
}Test1;//数据成员
//此时：
//  char a[13];//1      [40...52]
//  double b;//8        [56...63]
//  int c[11];//4       [64...107]
//  float d;//4         [107...111]int main(int argc, const char * argv[]) {Test1 t1;Test2 t2;printf(" %lu\n", sizeof(t2));printf(" %lu\n", sizeof(t1));return 0;
}

结果：

 72112
Program ended with exit code: 0

把Test2中的double b注销了，看下结果：

typedef struct test2 {char a[13];//1      [0...13]//double b;//8        [16...23]int c[11];//4       [16...59]float d;//4         [60...63]
}Test2;typedef struct test1 {char a[5];//1       [0...4]int b;//4           [8...11]double c;//8        [16...23]char d[11];//11     [24...34]Test2 t2;//64       [36...99] 此时Test2的'自身长度'为int c=4,所以从4的最小倍数开始，即36开始，又因为100不是double c的倍数，补齐到最小倍数104
}Test1;//数据成员int main(int argc, const char * argv[]) {Test1 t1;Test2 t2;printf(" %lu\n", sizeof(t2));printf(" %lu\n", sizeof(t1));return 0;
}

 64104
Program ended with exit code: 0

四、更改默认对齐系数

#pragma pack(2)//1、2、4、8、16，以2为例typedef struct test2 {char a[13];//1      [0...13]//double b;//8        [16...23]int c[11];//4    2<4   [14...57]从2的最小倍数开始，即14float d;//4         [58...61]
}Test2;
int main(int argc, const char * argv[]) {Test2 t2;printf(" %lu\n", sizeof(t2));return 0;
}

结果：

 62
Program ended with exit code: 0

参考：

https://www.jianshu.com/p/f01fe1ef892d

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