記憶體對齊：

在討論之前我們先看一個栗子:

#include<iostream>

using namespae std;

int main()
{
    struct A
    {
      int a;
      char b;
      char c;
    };
    struct B
    {
        char b;
        int a;
        char c;
    }
    cout<<sizeof(A)<<endl;
    system("pause");
    return 0;
}

從上面程式碼中，我們首先計算結構體A的大小，int型別佔4位元組，char型別佔1位元組，那麼結構體的大小是不是4+1+1=6呢?
我們再來看結構體B與結構體A的成員是相同的，但是所佔記憶體大小是不是相同呢？我想你們心中已經有答案了，不管你的答案是什麼，我們現在來驗證驗證？

嗯？結構體A的大小不是6麼？而且結構體A和結構體B大小不應該相同嗎？

那麼帶著上面這些疑問，我們來探究為什麼結構體A的大小為8而不是6，為什麼結構體B與結構體A的大小不同。

其實這一切都是記憶體對齊搞的鬼！！

那麼，問題來了：1.什麼是記憶體對齊？
2.為什麼要記憶體對齊？
3.怎樣記憶體對齊？

1.什麼是記憶體對齊？

百度詞條上面的解釋：編譯器為程式中的每個“資料單元“安排在適當的位置上。

2.為什麼要記憶體對齊？

1. 平臺原因：各個硬體平臺對儲存空間的處理上有很大的不同。一些平臺對某些特定型別的資料只能從某些特定地址開始存取。————- 比如，有些架構的CPU在訪問 一個沒有進行對齊的變數的時候會發生錯誤，那麼在這種架構下程式設計必須保證位元組對齊。

2. 效能原因：記憶體對齊可以提高存取效率。————- 比如，有些平臺每次讀都是從偶地址開始，如果一個int型（假設為32位系統）如果存放在偶地址開始的地方，那麼一個讀週期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開始的地方，就需要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32bit資料。

假若有一片記憶體是這樣儲存的:

我們知道一位元組佔用8位，那麼32位的硬體平臺一次最多讀取4位元組，如果讀取上圖中的int型別資料，假若沒有記憶體對齊，cpu會首先讀取前4位元組，將多餘的資料(char型別變數)剔除，然後再次讀取4位元組，將多餘的資料剔除，然後再次將兩次保留的資料進行拼合。為了產生對比，我們用記憶體對齊的方式作比較，如圖：

顯而易見，記憶體對齊的int資料可以一次性讀取，提高了讀取資料的效率！

3.怎樣記憶體對齊(記憶體對齊的規則)？

說完了記憶體對齊的原因，現在我們就看看記憶體對齊的規則：
1. 結構體變數的首地址是有效對齊值的的整數倍。
2. 結構體第一個成員的偏移量是0，以後每個成員相對於結構體首地址的偏移量都是該成員大小有效對齊值中較小那個的整數倍。
3. 結構體的大小為有效對齊值的整數倍，如有需要，編譯器會在最後一個成員之後填充位元組。
4. 結構體內型別相同的連續元素將在連續空間內，和陣列相同。

有效對齊值:是 ==#pragma pack指定值==和結構體中最長資料型別長度 中較小的那個。有效對齊值也叫對齊單位。

有以上4條規則來回頭看我們開始的例子：

從例子可以得知，我們只是調換了結構體中成員變數的順序。結構體中最長的資料型別為int，4位元組，vs2015預設#pragma pack(8),所以有效對齊值為4位元組，我們可以畫出如下示例圖：

因此，我們可以知道為什麼結構體A的大小為8，而且和結構體B的大小不同。

注意：不同編譯器支援的有效對齊值不同，比如GCC只支援1，2，4對齊。

結構體巢狀記憶體對齊規則:

在一個結構體中遇到另一個結構體型別變數，則進入到另一結構體中對於其成員變數以相同規律進行對齊，最後結構體總大小等於兩個結構體中所有成員變數中最大對齊數的整數倍.

#pragma pack(4)
struct A{
  int a;
  double b;
};

struct B{
  A s;          //有效對齊值為4
  char c;
};

結構體B的大小為16。

位域：

還是三個問題：
1. 什麼是位域？
2. 為什麼用位域？
3. 位域怎麼用？

1.什麼是位域?

位域是指資訊在儲存時，並不需要佔用一個完整的位元組， 而只需佔幾個或一個二進位制位。

2.為什麼使用位域?

為了節省儲存空間，並使處理簡便，C語言又提供了一種資料結構，稱為“位域”或“位段”。所謂“位域”是把一個位元組中的二進位劃分為幾 個不同的區域， 並說明每個區域的位數。每個域有一個域名，允許在程式中按域名進行操作。 這樣就可以把幾個不同的物件用一個位元組的二進位制位域來表示。

3.位域怎樣用?
1. 位域的定義和位於變數的說明(位域的定義與說明與結構體的定義相仿)

struct 位域結構名
{
位域列表
};

位域列表的形式為：型別說明符 位域名:位域長度

struct bs{
    int a:8;
    int b:2;
    int c:6;
}data;

data佔兩個位元組，其中a佔有8位，b佔有2位，c佔有6位。

位域的對齊：

1) 如果相鄰位域欄位的型別相同，且其位寬之和小於型別的sizeof大小，則後面的欄位將緊鄰前一個欄位儲存，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域欄位的型別相同，但其位寬之和大於型別的sizeof大小，則後面的欄位將從新的儲存單元開始，其偏移量為其型別大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域欄位的型別不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式（不同位域欄位存放在不同的位域型別位元組中），Dev-C++和GCC都採取壓縮方式；

系統會先為結構體成員按照對齊方式分配空間和填塞（padding）,然後對變數進行位域操作。

在使用位域還需注意：

1) 一個位域必須儲存在同一個位元組中，不能跨兩個位元組。
2) 由於位域不允許跨兩個位元組，因此位域的長度不能大於一個位元組的長度。
3) 位域可以無位域名，這時它只用來作填充或調整位置。無名的位域是不能使用的。
4) 一般宣告位域時用==signed int==或==unsigned int==，而不用int。因為若使用的是int，則到底是解釋為有符號數還是無符號數由編譯器決定。

struct bs{
  unsigned a:4;
  unsigned b:5; //從下一位元組存放
  unsigned c:1
  unsigned  :3; //無位域名，無法使用
};

我們可以看到位域大大減少了記憶體的浪費。當然，在位域的運用中，我們還需注意大小端對位域的影響問題。因為位域中的成員在記憶體中是從左向右分配還是從右向左分配由處理器的大小端決定。