一、什么是字節(jié)對(duì)齊
計(jì)算機(jī)中內(nèi)存空間都是按照byte劃分的，從理論上講似乎對(duì)任何類型的變量的訪問(wèn)可以從任何地址開(kāi)始，但實(shí)際情況是在訪問(wèn)特定類型變量的時(shí)候經(jīng)常在特定的內(nèi)存地址訪問(wèn)，這就需要各種類型數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在空間上排列，而不是順序的一個(gè)接一個(gè)的排放，這就是對(duì)齊。
二、對(duì)齊的作用和原因：
1、平臺(tái)原因(移植原因)：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)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。各個(gè)硬件平臺(tái)對(duì)存儲(chǔ)空間的處理上有很大的不同。一些平臺(tái)對(duì)某些特定類型的數(shù)據(jù)只能從某些特定地址開(kāi)始存取。比如有些架構(gòu)的CPU在訪問(wèn)一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行對(duì)齊的變量的時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，那么在這種架構(gòu)下編程必須保證字節(jié)對(duì)齊。
2、性能原因：最常見(jiàn)的是如果不按照適合其平臺(tái)要求對(duì)數(shù)據(jù)存放進(jìn)行對(duì)齊，會(huì)在存取效率上帶來(lái)?yè)p失。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(尤其是棧)應(yīng)該盡可能地在自然邊界上對(duì)齊。原因在于，為了訪問(wèn)未對(duì)齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問(wèn)，而對(duì)齊的內(nèi)存訪問(wèn)僅需要一次訪問(wèn)。比如有些平臺(tái)每次讀都是從偶地址開(kāi)始，如果一個(gè)int型（假設(shè)為32位系統(tǒng)）如果存放在偶地址開(kāi)始的地方，那么一個(gè)讀周期就可以讀出這32bit，而如果存放在奇地址開(kāi)始的地方，就需要2個(gè)讀周期，并對(duì)兩次讀出的結(jié)果的高低字節(jié)進(jìn)行拼湊才能得到該32bit數(shù)據(jù)。顯然在讀取效率上下降很多。
三、對(duì)齊規(guī)則
每個(gè)特定平臺(tái)上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對(duì)齊系數(shù)”(也叫對(duì)齊模數(shù))。程序員可以通過(guò)預(yù)編譯命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16 來(lái)改變這一系數(shù)，其中的n就是你要指定的“對(duì)齊系數(shù)”。
規(guī)則：
1、數(shù)據(jù)成員對(duì)齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對(duì)齊 按照#pragma pack指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長(zhǎng)度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
2、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對(duì)齊規(guī)則：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。
3、當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過(guò)所有數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。
四、請(qǐng)看下面的結(jié)構(gòu)：
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
};
對(duì)結(jié)構(gòu)MyStruct采用sizeof會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？sizeof（MyStruct）為多少呢？也許你會(huì)這樣求: sizeof（MyStruct）=sizeof（double）+sizeof（char）+sizeof（int）=13
但是當(dāng)在VC中測(cè)試上面結(jié)構(gòu)的大小時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)sizeof（MyStruct）為16。你知道為什么在VC中會(huì)得出這樣一個(gè)結(jié)果嗎？
其實(shí)，這是VC對(duì)變量存儲(chǔ)的一個(gè)特殊處理。為了提高CPU的存儲(chǔ)速度，VC對(duì)一些變量的起始地址做了“對(duì)齊”處理。在默認(rèn)情況下，VC規(guī)定各成員變量存放的起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量必須為該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)的倍數(shù)。下面列出常用類型的對(duì)齊方式（vc6.0,32位系統(tǒng)）。
類型對(duì)齊方式（變量存放的起始地址相對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量）
Char偏移量必須為sizeof（char）即1的倍數(shù)
int 偏移量必須為sizeof（int）即4的倍數(shù)
float 偏移量必須為sizeof（float）即4的倍數(shù)
double偏移量必須為sizeof（double）即8的倍數(shù)
Short 偏移量必須為sizeof（short）即2的倍數(shù)
各成員變量在存放的時(shí)候根據(jù)在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序依次申請(qǐng)空間，同時(shí)按照上面的對(duì)齊方式調(diào)整位置，空缺的字節(jié)VC會(huì)自動(dòng)填充。同時(shí)VC為了確保結(jié)構(gòu)的大小為結(jié)構(gòu)的字節(jié)邊界數(shù)（即該結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù)）的倍數(shù)，所以在為最后一個(gè)成員變量申請(qǐng)空間后，還會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)填充空缺的字節(jié)。
下面用前面的例子來(lái)說(shuō)明VC到底怎么樣來(lái)存放結(jié)構(gòu)的。
struct MyStruct
{
double dda1;
char dda;
int type
};
為上面的結(jié)構(gòu)分配空間的時(shí)候，VC根據(jù)成員變量出現(xiàn)的順序和對(duì)齊方式，先為第一個(gè)成員dda1分配空間，其起始地址跟結(jié)構(gòu)的起始地址相同（剛好偏移量0剛好為sizeof（double）的倍數(shù)），該成員變量占用sizeof（double）=8個(gè)字節(jié)；接下來(lái)為第二個(gè)成員dda分配空間，這時(shí)下一個(gè)可以分配的地址對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量為8，是sizeof（char）的倍數(shù)，所以把dda存放在偏移量為8的地方滿足對(duì)齊方式，該成員變量占用 sizeof（char）=1個(gè)字節(jié)；接下來(lái)為第三個(gè)成員type分配空間，這時(shí)下一個(gè)可以分配的地址對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量為9，不是sizeof （int）=4的倍數(shù)，為了滿足對(duì)齊方式對(duì)偏移量的約束問(wèn)題，VC自動(dòng)填充3個(gè)字節(jié)（這三個(gè)字節(jié)沒(méi)有放什么東西），這時(shí)下一個(gè)可以分配的地址對(duì)于結(jié)構(gòu)的起始地址的偏移量為12，剛好是sizeof（int）=4的倍數(shù)，所以把type存放在偏移量為12的地方，該成員變量占用sizeof（int）=4個(gè)字節(jié)；這時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的成員變量已經(jīng)都分配了空間，總的占用的空間大小為：8+1+3+4=16，剛好為結(jié)構(gòu)的字節(jié)邊界數(shù)（即結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù)sizeof（double）=8）的倍數(shù)，所以沒(méi)有空缺的字節(jié)需要填充。所以整個(gè)結(jié)構(gòu)的大小為：sizeof（MyStruct）=8+1+ 3+4=16，其中有3個(gè)字節(jié)是VC自動(dòng)填充的，沒(méi)有放任何有意義的東西。
下面再舉個(gè)例子，交換一下上面的MyStruct的成員變量的位置，使它變成下面的情況：
struct MyStruct
{
char dda;
double dda1;
int type
}；
這個(gè)結(jié)構(gòu)占用的空間為多大呢？在VC6.0環(huán)境下，可以得到sizeof（MyStruc）為24。結(jié)合上面提到的分配空間的一些原則，分析下VC怎么樣為上面的結(jié)構(gòu)分配空間的。（簡(jiǎn)單說(shuō)明）
struct MyStruct
{
char dda;//偏移量為0，滿足對(duì)齊方式，dda占用1個(gè)字節(jié)；
double dda1;//下一個(gè)可用的地址的偏移量為1，不是sizeof（double）=8的倍數(shù)，需要補(bǔ)足7個(gè)字節(jié)才能使偏移量變?yōu)?（滿足對(duì)齊方式），因此VC自動(dòng)填充7個(gè)字節(jié)，dda1存放在偏移量為8的地址上，它占用8個(gè)字節(jié)。
int type；//下一個(gè)可用的地址的偏移量為16，是sizeof（int）=4的倍數(shù)，滿足int的對(duì)齊方式，所以不需要VC自動(dòng)填充，type存放在偏移量為16的地址上，它占用4個(gè)字節(jié)。
}；
所有成員變量都分配了空間，空間總的大小為1+7+8+4=20，不是結(jié)構(gòu)的節(jié)邊界數(shù)（即結(jié)構(gòu)中占用最大空間的類型所占用的字節(jié)數(shù)sizeof（double）=8）的倍數(shù)，所以需要填充4個(gè)字節(jié)，以滿足結(jié)構(gòu)的大小為sizeof（double）=8的倍數(shù)。所以該結(jié)構(gòu)總的大小為：sizeof（MyStruc）為1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個(gè)字節(jié)是VC自動(dòng)填充的，沒(méi)有放任何有意義的東西。
VC對(duì)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)的特殊處理確實(shí)提高CPU存儲(chǔ)變量的速度，但是有時(shí)候也帶來(lái)了一些麻煩，我們也屏蔽掉變量默認(rèn)的對(duì)齊方式，自己可以設(shè)定變量的對(duì)齊方式。VC 中提供了#pragma pack（n）來(lái)設(shè)定變量以n字節(jié)對(duì)齊方式。n字節(jié)對(duì)齊就是說(shuō)變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況：第一、如果n大于等于該變量所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量必須滿足默認(rèn)的對(duì)齊方式，第二、如果n小于該變量的類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么偏移量為n的倍數(shù)，不用滿足默認(rèn)的對(duì)齊方式。結(jié)構(gòu)的總大小也有個(gè)約束條件，分下面兩種情況：如果n大于所有成員變量類型所占用的字節(jié)數(shù)，那么結(jié)構(gòu)的總大小必須為占用空間最大的變量占用的空間數(shù)的倍數(shù)；否則必須為n的倍數(shù)。
下面舉例說(shuō)明其用法。
#pragma pack（push） //保存對(duì)齊狀態(tài)
#pragma pack（4）//設(shè)定為4字節(jié)對(duì)齊
struct test
{
char m1;
double m4;
int m3;
};
#pragma pack（pop）//恢復(fù)對(duì)齊狀態(tài)
以上結(jié)構(gòu)的大小為16，下面分析其存儲(chǔ)情況，首先為m1分配空間，其偏移量為0，滿足我們自己設(shè)定的對(duì)齊方式（4字節(jié)對(duì)齊），m1占用1個(gè)字節(jié)。接著開(kāi)始為 m4分配空間，這時(shí)其偏移量為1，需要補(bǔ)足3個(gè)字節(jié)，這樣使偏移量滿足為n=4的倍數(shù)（因?yàn)閟izeof（double）大于n），m4占用8個(gè)字節(jié)。接著為m3分配空間，這時(shí)其偏移量為12，滿足為4的倍數(shù)，m3占用4個(gè)字節(jié)。這時(shí)已經(jīng)為所有成員變量分配了空間，共分配了16個(gè)字節(jié)，滿足為n的倍數(shù)。如果把上面的#pragma pack（4）改為#pragma pack（16），那么我們可以得到結(jié)構(gòu)的大小為24。（請(qǐng)讀者自己分析）
五、再看下面這個(gè)例子
#pragma pack（8）
struct S1
{
char a;
long b;
};
struct S2
{
char c;
struct S1 d;
long long e;
};
#pragma pack（pop）
sizeof（S2）結(jié)果為24.。成員對(duì)齊有一個(gè)重要的條件，即每個(gè)成員分別對(duì)齊。即每個(gè)成員按自己的方式對(duì)齊。也就是說(shuō)上面雖然指定了按8字節(jié)對(duì)齊，但并不是所有的成員都是以8字節(jié)對(duì)齊。其對(duì)齊的規(guī)則是，每個(gè)成員按其類型的對(duì)齊參數(shù)（通常是這個(gè)類型的大小）和指定對(duì)齊參數(shù)（這里是8字節(jié)）中較小的一個(gè)對(duì)齊。并且結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度必須為所用過(guò)的所有對(duì)齊參數(shù)的整數(shù)倍，不夠就補(bǔ)空字節(jié)。
S1中，成員a是1字節(jié)默認(rèn)按1字節(jié)對(duì)齊，指定對(duì)齊參數(shù)為8,這兩個(gè)值中取1,a按1字節(jié)對(duì)齊；成員b是4個(gè)字節(jié)，默認(rèn)是按4字節(jié)對(duì)齊，這時(shí)就按4字節(jié)對(duì)齊，所以sizeof（S1）應(yīng)該為8;
S2 中，c和S1中的a一樣，按1字節(jié)對(duì)齊，而d 是個(gè)結(jié)構(gòu)，它是8個(gè)字節(jié)，它按什么對(duì)齊呢？對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的默認(rèn)對(duì)齊方式就是它的所有成員使用的對(duì)齊參數(shù)中最大的一個(gè)，S1的就是4.所以，成員d就是按4字節(jié)對(duì)齊。成員e是8個(gè)字節(jié)，它是默認(rèn)按8字節(jié)對(duì)齊，和指定的一樣，所以它對(duì)到8字節(jié)的邊界上，這時(shí)，已經(jīng)使用了12個(gè)字節(jié)了，所以又添加了4個(gè)字節(jié)的空，從第16個(gè)字節(jié)開(kāi)始放置成員e.這時(shí)，長(zhǎng)度為24,已經(jīng)可以被8（成員e按8字節(jié)對(duì)齊）整除。這樣，一共使用了24個(gè)字節(jié)。
a b
S1的內(nèi)存布局：11**,1111,
c S1.a S1.b d
S2的內(nèi)存布局：1***,11**,1111,****11111111
這里有三點(diǎn)很重要：
1.每個(gè)成員分別按自己的方式對(duì)齊，并能最小化長(zhǎng)度。
2.復(fù)雜類型（如結(jié)構(gòu)）的默認(rèn)對(duì)齊方式是它最長(zhǎng)的成員的對(duì)齊方式，這樣在成員是復(fù)雜類型時(shí)，可以最小化長(zhǎng)度。
3.對(duì)齊后的長(zhǎng)度必須是成員中最大的對(duì)齊參數(shù)的整數(shù)倍，這樣在處理數(shù)組時(shí)可以保證每一項(xiàng)都邊界對(duì)齊。
六、sizeof例子(注意：下面的例子都是經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證的)
std::cout <<"void* size"<<sizeof(void*)<<std::endl; //4
std::cout <<"char size"<<sizeof(char)<<std::endl; //1
std::cout <<"unsigned char size"<<sizeof(unsigned char)<<std::endl; //1
std::cout <<"short size"<<sizeof(short)<<std::endl; //2
std::cout <<"int size"<<sizeof(int)<<std::endl;//4
std::cout <<"unsigned int size"<<sizeof(unsigned int)<<std::endl; //4
std::cout <<"long size"<<sizeof(long)<<std::endl; //4
std::cout <<"long int size"<<sizeof(long int)<<std::endl; //4
std::cout <<"long long size"<<sizeof(long long)<<std::endl; //8
std::cout <<"float size"<<sizeof(float)<<std::endl; //4
std::cout <<"double size"<<sizeof(double)<<std::endl; //8
std::cout <<"time_t size"<<sizeof(time_t)<<std::endl;//8
char bufc[32];
std::cout <<"bufc size"<<sizeof(bufc)<<std::endl;//32
struct teststruct{};
class testclass{};
std::cout <<"struct size"<<sizeof(teststruct)<<std::endl;//1
std::cout <<"class size"<<sizeof(testclass)<<std::endl;//1
class A
{
char c;
int val;
short sh;
};
class B
{
public:
char c;
int val;
short sh;
void func1(void){};
virtual void func2(void){};
};
std::cout <<"class size A"<<sizeof(A)<<std::endl;//12
std::cout <<"class size B"<<sizeof(B)<<std::endl;//16
char*p =NULL;
p=new char[100];
std::cout <<"size p"<<sizeof(p)<<std::endl;//4
七、其它
1、在編寫代碼時(shí)候可以通過(guò)#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16來(lái)靈活控制內(nèi)存對(duì)齊的系數(shù)，當(dāng)需要關(guān)閉內(nèi)存對(duì)齊時(shí)，可以使用#pragma pack()實(shí)現(xiàn)。
2、注意事項(xiàng)
內(nèi)存對(duì)齊可以大大的提高編譯器的處理速度，但不是任何時(shí)候都是必需的，有的時(shí)候不注意的話，還可能出現(xiàn)意想不到的錯(cuò)誤！最典 型的情況就是網(wǎng)絡(luò)通信程序的編碼中，
一定要在定義結(jié)構(gòu)體或者聯(lián)合之前使用#pragma pack()把內(nèi)存對(duì)齊關(guān)閉，這是因?yàn)檫h(yuǎn)程主機(jī)通 常不知道對(duì)方使用的何種對(duì)齊方式，通過(guò)socket接收的字節(jié)流，然后按照字節(jié)解析
得到對(duì)應(yīng)的結(jié)果，如果使用內(nèi)存對(duì)齊，遠(yuǎn)程主機(jī)很 可能會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果！這種情況曾經(jīng)指導(dǎo)上機(jī)時(shí)遇到過(guò)，而且屬于比較隱蔽的錯(cuò)誤，debug了好久才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在這里。
3、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體
雖然內(nèi)存對(duì)齊可以提高運(yùn)行效率，但是卻浪費(fèi)了內(nèi)存，在現(xiàn)代PC上通常不會(huì)在乎這點(diǎn)小的空間，但是在一些內(nèi)存很小的嵌入式設(shè)備上，可能就要錙銖必較了。其實(shí)我們發(fā)現(xiàn)在不影響功能的前提下，可以調(diào)整成員的順序來(lái)減少“內(nèi)存空洞”帶來(lái)的浪費(fèi)。
