技術標籤：C++基礎

一、為什麼要位元組對齊？

32位CPU是以雙字（DWORD）為單位進行資料傳輸的，因此我們的資料無論是8位或16位都是以雙字進行資料傳輸。
比如，一個int型別4位元組的資料如果放在上圖記憶體地址1開始的位置，那麼這個資料佔用的記憶體地址為1～4，那麼這個資料就被分為了2個部分，一個部分在地址0～3中，另外一部分在地址4～7中，又由於32位CPU以雙字進行傳輸，所以，CPU會分2次進行讀取，一次先讀取地址0～3中內容，再一次讀取地址4～7中資料，最後CPU提取並組合出正確的int型別資料，捨棄掉無關資料。那麼反過來，如果我們把這個int型別4位元組的資料放在上圖從地址0開始的位置會怎樣呢？讀到這裡，也許你明白了，CPU只要進行一次讀取就可以得到這個int型別資料了。沒錯，就是這樣，這次CPU只用了一個週期就得到了資料，由此可見，對記憶體資料的擺放是多麼重要啊，擺放正確位置可以減少CPU的使用資源。

二、記憶體對齊原則

那麼，記憶體對齊有哪些原則呢？我總結了一下大致分為三條：
第一條：第一個成員的首地址為0
第二條：每個成員的首地址是自身大小的整數倍
第二條補充：以4位元組對齊為例，如果自身大小大於4位元組，都以4位元組整數倍為基準對齊。
第三條：最後以結構總體對齊。
第三條補充：以4位元組對齊為例，取結構體中最大成員型別倍數，如果超過4位元組，都以4位元組整數倍為基準對齊。（其中這一條還有個名字叫：“補齊”，補齊的目的就是多個結構變數挨著擺放的時候也滿足對齊的要求。）
上述的三原則聽起來還是比較抽象，那麼接下來我們通過一個例子來加深對記憶體對齊概念的理解，下面是一個結構體，我們動手算出下面結構體一共佔用多少記憶體？假設我們以32位平臺並且以4位元組對齊方式：

#pragma pack(4)
typedef struct MemAlign
{
	char a[18];
	double b;	
	char c;
	int d;	
	short e;	
}MemAlign;

下圖為對齊後結構如下：

我們就以這個圖來講解是如何對齊的：
第一個成員（char a[18]）：首先，假設我們把它放到記憶體開始地址為0的位置，由於第一個成員佔18個位元組，所以第一個成員佔用記憶體地址範圍為0～18。
第二個成員（double b）：由於double型別佔8位元組，又因為8位元組大於4位元組，所以就以4位元組對齊為基準。由於第一個成員結束地址為18，那麼地址18並不是4的整數倍，我們需要再加2個位元組，也就是從地址20開始擺放第二個成員。

第三個成員（char c）：由於char型別佔1位元組，任意地址是1位元組的整數倍，所以我們就直接將其擺放到緊接第二個成員之後即可。
第四個成員（int d）：由於int型別佔4位元組，但是地址29並不是4的整數倍，所以我們需要再加3個位元組，也就是從地址32開始擺放這個成員。
第五個成員（short e）：由於short型別佔2位元組，地址36正好是2的整數倍，這樣我們就可以直接擺放，無需填充位元組,緊跟其後即可。
這樣我們記憶體對齊就完成了。但是離成功還差那麼一步，那是什麼呢？對，是對整個結構體補齊，接下來我們就補齊整個結構體。那麼，先讓我們回顧一下補齊的原則：“以4位元組對齊為例，取結構體中最大成員型別倍數，如果超過4位元組，都以4位元組整數倍為基準對齊。”在這個結構體中最大型別為double型別（佔8位元組），又由於8位元組大於4字 節，所以我們還是以4位元組補齊為基準，整個結構體結束地址為38，而地址38並不是4的整數倍，所以我們還需要加額外2個位元組來填充結構體，如下圖紅色的就是補齊出來的空間：、

我們可以通過一個程式來觀察記憶體變化：

#include <stdio.h>
#include <memory.h>
 
// 通過預編譯來通知編譯器我們以4位元組對齊
#pragma pack(4)
 
// 用於測試的結構體
typedef struct MemAlign
{
	char a[18];	// 18 bytes
	double b;	// 08 bytes	
	char c;		// 01 bytes
	int d;		// 04 bytes
	short e;	// 02 bytes
}MemAlign;
 
int main()
{
	// 定義一個結構體變數
	MemAlign m;
	// 定義個以指向結構體指標
	MemAlign *p = &m;
	// 依次對各個成員進行填充，這樣我們可以
	// 動態觀察記憶體變化情況
	memset( &m.a, 0x11, sizeof(m.a) );
	memset( &m.b, 0x22, sizeof(m.b) );
	memset( &m.c, 0x33, sizeof(m.c) );
	memset( &m.d, 0x44, sizeof(m.d) );
	memset( &m.e, 0x55, sizeof(m.e) );
	// 由於有補齊原因，所以我們需要對整個
	// 結構體進行填充，補齊對齊剩下的位元組
	// 以便我們可以觀察到變化
	memset( &m, 0x66, sizeof(m) );
	// 輸出結構體大小
	printf( "sizeof(MemAlign) = %d", sizeof(m) );
}